Por: |
PEDRO ALBARRACIN AGUILLON
INGENIERO MECANICO UdeA
JULIO 9 DE 2003
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MEDELLÍN - COLOMBIA |
Un lubricante sintético es un producto que puede utilizar como materia prima una base lubricante derivada del petróleo ó sustancias químicas debidamente balanceadas. Se puede definir como un producto elaborado a partir de una reacción química entre varios materiales de bajo peso molecular para obtener otro de alto peso molecular con ciertas propiedades específicas, como las de poseer características lubricantes superiores a las de los aceites derivados del petróleo.
Los lubricantes sintéticos se utilizan principalmente donde los lubricantes derivados del petróleo no ofrecen una protección confiable de los mecanismos lubricados, ya sea porque operan a bajas ó a altas temperaturas ó en ambientes críticos, como es el caso de compresores centrífugos en plantas petroquímicas que comprimen gases de hidrocarburo, como el isobutano, que dan lugar a una alta dilución del aceite, disminuyendo peligrosamente el espesor de la película lubricante y creando la posibilidad de que se presenten condiciones de contacto metal-metal entre las superficies lubricadas.
El desarrollo de los lubricantes sintéticos se ha dado como consecuencia del diseño y fabricación de máquinas cada día más sofisticadas, cuyos mecanismos trabajan bajo condiciones críticas de operación, resultando ineficaces para lubricarlos, en no pocos casos, los lubricantes minerales. Por otro lado, las crisis energéticas y la escasez de petróleo cada vez más recurrentes en el mundo actual, han conllevado a la necesidad de formular y fabricar lubricantes de larga duración. Las actividades militares y la industria aeroespacial han desempeñado un papel relevante en las nuevas formulaciones de este tipo de lubricantes.
Los lubricantes sintéticos ameritan su utilización cuando se quieran ampliar las frecuencias entre cambios de aceite ó los períodos de re-engrase, reducir el consumo de energía por fricción en los mecanismos lubricados, disminuir el consumo de repuestos al reducir considerablemente el desgaste adhesivo, aumentar la capacidad productiva de la maquinaria y proteger el medio ambiente al utilizar lubricantes más biodegradables y menos tóxicos y un menor volumen de aceite desechado al ambiente dentro de un periodo de tiempo determinado.
Antes de utilizar lubricantes sintéticos, es necesario analizar minuciosamente la conveniencia de su empleo, ya que su costo supera con creces el de los aceites minerales, aunque, si se seleccionan y se utilizan correctamente, su costo real representa solo una mínima diferencia respecto al valor inicial de adquisición. El mayor costo se debe a la serie de procesos químicos adicionales a los cuales es necesario someter la base primaria para obtener la base lubricante del lubricante sintético deseado.
El fabricante del lubricante sintético seleccionado debe garantizar una buena asesoría técnica para su implementación, uso y conservación, ya que estos lubricantes presentan complejidades, cuya solución se sale del alcance del usuario, debe asegurar un suministro continuo y eficiente del producto, dar las equivalencias en otras marcas (de fácil consecución) de lubricantes sintéticos, de tal manera que cuando este lubricante escasee en el mercado local ó el precio aumente excesivamente, se pueda reemplazar de manera inmediata.
Las materias primas para la fabricación de los lubricantes sintéticos fueron desarrolladas desde comienzos de 1900 pero comercialmente se empezaron a utilizar desde hace aproximadamente 50 años, siendo los alemanes los pioneros en este campo, debido a tres hechos importantes: Primero, durante la II Guerra Mundial, Alemania no tenía una suficiente producción de petróleo ni podía abastecerse de él para afrontar los requerimientos de combustibles y lubricantes para mover sus equipos bélicos durante el desarrollo de dicha confrontación mundial, lo que la obligó a formular aceites a partir de bases lubricantes que no fueran derivadas del petróleo, sino de otros productos químicos, que permitieran prolongados períodos de tiempo sin necesidad de tener que cambiarlos. Segundo, debido precisamente a la falta de petróleo, Alemania, decidió invadir a Rusia, para apoderarse de los ricos campos de petróleo en la región de Stalingrado, pero las condiciones climáticas le hicieron una mala jugada ya que el conflicto se prolongó más allá de lo previsto, que era invadir y dominar a Rusia en el verano de 1.942, pero la resistencia rusa fue más fuerte de lo esperado, y una guerra que debía durar escasos 4 meses se prolongó casi por dos años, lo que dio lugar a que las bajas temperaturas de invierno, que alcanzaban en algunas regiones hasta los - 50°C, hicieran estragos, no solamente en los soldados alemanes sino también en los motores de los vehículos, en los cuales, el aceite, en las frías mañanas, cuando los rusos los atacaban, estaba congelado en el carter de los motores, no pudiendo arrancar estos y siendo necesario colocar una hoguera debajo del carter, para calentarlo con el fin de reducir su viscosidad, de tal manera que el aceite pudiera fluir y de esta manera el motor se pusiera en marcha. Pero esta situación, en extremo crítica, conllevaba a que los rusos fácilmente destruyeran estos vehículos antes de poderlos poner en marcha.
El frío era tan intenso, que cuando los soldados alemanes comían, solo bastaba que le sirvieran la sopa para que se congelara antes de llevarla a la boca. Tercero, el diseño y la fabricación de la turbina a reacción, culminando la II Guerra Mundial, en la cual, cuando los aviones en los cuales estaban montadas volaban a altitudes por encima de los 30.000 pies, los aceites minerales se congelaban en los cojinetes del compresor axial y se quemaban en los cojinetes de la turbina de gases, dando lugar al mal funcionamiento de la turbina a reacción ó a su falla catastrófica.
Estos tres acontecimientos, conllevaron a que los alemanes, investigarán y desarrollaran más de 3.000 tipos de productos, que se podían utilizar como materias primas para la fabricación de aceites sintéticos. Terminada la II Guerra Mundial, los aceites y grasas sintéticas se siguieron utilizando en menor escala, y en la mayoría de los casos, solo para aquellas aplicaciones donde se presentan condiciones críticas de funcionamiento de los mecanismos de las máquinas, como es el caso de altas temperaturas, cargas extremas, contaminación del lubricante con ácidos, agua, etc. Hoy en día es muy común su uso, y se aplican no solo para resolver problemas de lubricación, sino también para llevar a cabo programas de ahorro de energía y para reducir el impacto de los aceites derivados del petróleo sobre el ambiente.
Las características más importantes de los lubricantes sintéticos son:
· Coeficientes de fricción más bajos (f): debido a su conformación molecular que da lugar a una película lubricante en forma de esferas, presentan coeficientes de fricción fluida y EHL más bajos que los aceites minerales.
· Altos Indices de Viscosidad (IV): por lo regular mayores de 120, excepto en casos especiales como en los aceites para refrigeración. Estos valores mantienen más estable la viscosidad del aceite y por lo tanto el espesor de la película lubricante, haciendo que varíe menos con los cambios en la temperatura de operación, reduciendo de esta manera la rata de desgaste adhesivo y erosivo en los mecanismos lubricados.
· Alto Calor específico (Cp): por lo regular está entre 0,60 y 0,80 Kcal/kg.°C. Este valor permite una mayor capacidad de evacuación del calor generado por fricción en los mecanismos lubricados de un máquina, requiriéndose por lo tanto, una menor área para disipar dicho calor ó la utilización adicional de sistemas de enfriamiento de aceite, como por ejemplo intercambiadores de calor.
· Mínima cantidad de residuos de evaporación: cuando son sometidos a temperaturas de operación por encima de la máxima permisible, se evaporan, dejando un porcentaje muy bajo de residuos (en su mayoría no carbonosos), lo que garantiza que no se va a presentar taponamiento de los conductos de lubricación.
· Elevada adhesividad hacia las superficies metálicas: la película lubricante que forman es polar, lo que le da una fuerte afinidad hacia las superficies metálicas, permitiendo que permanezca más tiempo adherida a ella sin que se desprenda. Esto es particularmente importante en aquellos mecanismos que trabajan en posición vertical, en los cuales la acción de la gravedad es fuertemente influyente para que la película lubricante no permanezca en el sitio requerido.
· Buena demulsibilidad: se separan rápidamente del agua. La mayoría de estos lubricantes son más pesados que el agua, por lo que cuando se encuentran en presencia de ella, el agua queda en la parte superior, garantizando que los mecanismos lubricados siempre van a estar en contacto con el aceite.
· Baja tendencia a la formación de espuma: soportan más la agitación y las otras causas de la formación de espuma en el aceite, por lo que trabajan con menos cantidad de espuma, y la que se forma, sube rápidamente a la superficie del aceite, desapareciendo rápidamente de ella.
· Adecuada protección contra la corrosión en ambientes críticos: forman una película protectora, similar a una laca, que aisla las superficies metálicas de los agentes externos que pueden formar corrosión, como los ácidos, lacas, etc.
· Buena resistencia a la oxidación: cuando están sometidos a condiciones oxidables (alta temperatura, humedad, materiales catalizadores como el cobre y el hierro y gases como el H2S, presentan una menor rata de oxidación que los de base de hidrocarburo, la cual puede variar entre 1:5 y 1:10. Esto permite reducir considerablemente los costos por compra de lubricantes y mano de obra para cambiarle el aceite a los equipos. Esta característica se puede evaluar de acuerdo con el TAN (Número Acido Total). Ver Figura No1.
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Figura No1
El aceite mineral se oxida mucho más rápido que el aceite
sintético a la misma Temperatura de operación.
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· Excelente estabilidad térmica: soportan altas temperaturas sin descomponerse.
· No son inflamables a altas temperaturas: esta característica evita que se presenten explosiones.
· Alta miscibilidad a bajas temperaturas y baja solubilidad a altas temperaturas: esta característica es muy importante en el caso de los aceites para los compresores de refrigeración.
Los lubricantes sintéticos presentan un sinnúmero de ventajas con respecto a los lubricantes minerales, que hacen que se deba analizar la posibilidad de utilizarlos en la mayoría de los mecanismos lubricados. Existe un criterio equivocado entre los ingenieros y supervisores de mantenimiento de que los lubricantes sintéticos solo se deben utilizar para aquellas situaciones donde las condiciones de operación sean críticas, lo cual no es cierto, ya que por ejemplo, su utilización es obligatoria, cuando se trata de llevar a cabo programas de tribología tendientes a reducir el consumo de energía en los mecanismos lubricados ó la rata de desgaste en los mismos.
Las ventajas más importantes de los lubricantes sintéticos son:
· Lubricación bajo condiciones críticas de operación: se utilizan para aquellas situaciones donde un lubricante mineral fácilmente se descompondría, como es el caso de altas temperaturas, contaminación con cantidades de agua excesiva, presencia de ácidos, etc.
· Ahorro de energía por menor coeficiente de fricción: las moléculas que forman la película lubricante de un lubricante sintético son en forma de esferas, contrario a la de los lubricantes minerales que es en forma de laminillas, lo que da lugar a que el coeficiente de fricción de la película lubricante, ya sea límite, fluida ó Elastohidrodinámica sea más bajo, dando lugar a que las pérdidas por fricción en los mecanismos lubricados sea menor y por lo tanto la fuerza necesaria para moverlos. Esto permite reducir el consumo de energía en Kw-hr en los mecanismos lubricados. Esta ventaja es una de las más importantes que se logran con el uso de los lubricantes sintéticos, pero en la práctica poco se tiene en cuenta, principalmente porque en la mayoría de las empresas no llevan a cabo programas de ahorro de energía.
· Estandarización a un menor número de aceites: en aquellas plantas donde se utilizan varios aceites minerales para igual número de clases de equipos, es factible reducir el número de aceites a utilizar, mediante la utilización de un solo aceite sintético. Esto se puede hacer debido a los altos índices de viscosidad de los aceites sintéticos, que permiten garantizar aproximadamente el mismo espesor de la película lubricante, para diferentes temperaturas de operación.
· Menor impacto negativo sobre el ambiente: los aceites sintéticos en su gran mayoría son más biodegradables (un 60% aproximadamente) y menos tóxicos (60 horas en la prueba de los peces) que los aceites minerales, por lo que cuando se desechan al ambiente, su impacto negativo sobre el mismo es menor.
· Temperaturas de operación más bajas: como el coeficiente de fricción, ya sea bajo condiciones de lubricación fluida ó EHL, es menor que el de los aceites minerales, se presentan menos pérdidas de energía por fricción, dando lugar a que la temperatura de operación de los mecanismos lubricados se reduzca entre 8 y 12°C. Por lo regular se toma un valor promedio de 10°C.
· Mayor potencia disponible en las máquinas conducidas: la energía que se ahorra por menores pérdidas por fricción fluida ó EHL en los mecanismos lubricados se puede aprovechar como una mayor potencia disponible en el eje de salida de las máquinas conducidas. Esto le permite también a los ingenieros de diseño ó proyectistas, obtener una mayor capacidad de transmisión de potencia de las máquinas sin necesidad de tener que aumentar el tamaño de las mismas.
· Mayores frecuencias entre cambios de aceite: debido a que la resistencia a la oxidación de los aceites sintéticos es mayor que la de los aceites minerales, la frecuencia de cambio del aceite sintético es más amplia. Esta frecuencia de cambio depende del tipo de base sintética que tenga el aceite sintético, así, por ejemplo, en los aceites sintéticos del tipo PAO, las frecuencias entre cambios es de 1:5 con respecto a los minerales y en los de tipo PAG, es de 1:10. De todas maneras, las frecuencias reales entre cambios de aceite se determinan de acuerdo con los resultados de los análisis de laboratorio que se le efectúen al aceite sintético, durante su funcionamiento en el equipo.
Los lubricantes sintéticos se clasifican en industriales y automotores y a su vez en grasas y aceites.
Lubricantes industriales
Los aceites sintéticos industriales se clasifican bajo el sistema ISO (Organización Internacional para la estandarización), en cSt a 40°C y las grasas en el sistema NLGI (Instituto Nacional de Grasas Lubricantes).
Los aceites y las grasas sintéticos industriales están constituidos por una base sintética y en la mayoría de los casos por los mismos aditivos de los aceites minerales. Los espesadores metálicos y los grados de consistencia de las grasas son los mismos que los de las grasas minerales. En algunos casos, las grasas poseen grados de consistencia múltiples, ó sea que bajo determinadas condiciones de operación se pueden comportar como una grasa NLGI 1, 2 ó 3. Esta característica se la da la base lubricante sintética por su alto índice de viscosidad.
Lubricantes automotores
La viscosidad de los aceites sintéticos automotores se clasifica bajo el sistema SAE (Sociedad Americana de Ingenieros Automotrices) y su calidad en el sistema API (Instituto Americano del Petróleo). Por lo regular se emplean también las especificaciones militares de las fuerzas armadas norteamericanas MIL-L.
CASO DE LA SEMANA
FALLA CATASTRÓFICA DEL VENTILADOR DE TIRO FORZADO DE UNA CALDERA DE 325.000 LIBRAS DE VAPOR |
Las fallas catastróficas en los equipos críticos de las refinerías de petróleo, por lo regular no ocurren como resultado de su criticidad, sino muchas veces se presentan debido a la falta de gestión del personal de mantenimiento y de operaciones, que aprenden a vivir con situaciones de riesgo que bajo determinadas condiciones operacionales pueden conducir a que se presenten dichas fallas. Tal es el caso, que ocurrió recientemente con los cojinetes lisos de apoyo del rotor del ventilador de tiro forzado de una caldera de 325.000 libras de vapor por hora de 600 psig, en los cuales la falla potencial se detectó con mucho tiempo de antelación pero la recomendación que se hizo para evitarla, se ejecutó a medias hasta que finalmente conllevó al desgaste adhesivo de los dos cojinetes lisos de apoyo del rotor del ventilador de tiro forzado.
Los operadores de planta de la Refinería detectaron que cuando llovía, el agua resbalaba por las paredes de la chimenea de succión de aire y llegaba hasta el eje del ventilador de tiro forzado, el cual al rotar, envolvía el agua alrededor de él, en forma de un torbellino, y la hacía fluir a través de los sellos de laberinto de la carcaza donde se encuentra alojado el cojinete liso, contaminando el aceite y haciendo que éste en corto tiempo se emulsionara. Cuando esta situación se presentaba, los operadores drenaban la totalidad del aceite emulsionado, y le aplicaban aceite nuevo al cojinete liso hasta su nivel normal. Esta situación era repetitiva siempre que llovía, por lo que se emitió una recomendación consistente en colocar una especie de techo metálico encima de la carcaza del cojinete liso para que lo protegiera de la lluvia y evitara la contaminación del aceite con agua. El personal de mantenimiento lo instaló, pero éste no quedó haciendo buen contacto con la superficie de la chimenea de succión de aire, lo cual conllevó a la situación que se comenta a continuación.
Una noche a eso de las 14 horas se desató un fuerte aguacero, en las instalaciones de la Refinería, y el agua que resbaló por las paredes de la chimenea de succión de aire, la introdujo el eje del ventilador, al girar, hasta la carcaza donde se encuentra alojado el cojinete liso, contaminando el aceite. En la primera etapa del problema, el agua emulsionó el aceite e incrementó el nivel de "aceite" dentro de la carcaza, haciendo, que la emulsión poco a poco se fuera saliendo por el extremo del eje que sale por fuera de la carcaza del cojinete liso, hasta que finalmente todo el "aceite" y la emulsión que se formó fueron desalojados del interior de la carcaza del cojinete liso, dando lugar a que el anillo de lubricación, en lugar de lubricar el cojinete liso con aceite lo lubricó con agua, la cual, como es obvio, carece completamente de propiedades lubricantes, haciendo que se presentará el contacto metal-metal entre la superficie del eje y del cojinete liso y por lo tanto el desgaste adhesivo de dichas superficies.
En la ronda habitual que el operador de planta hace en los equipos cada 2 horas detectó que el aceite de los ventiladores de las calderas, que en total son 5, estaba completamente emulsionado y procedió a cambiarlo de manera inmediata, en uno de los cojinetes lisos al drenar el "aceite", notó que salía un fluido de color gris, el cual a pesar de cambiarlo por aceite nuevo en repetidas ocasiones, seguía con el mismo color, llamó al personal de mantenimiento para que le hicieran un monitoreo de vibraciones y temperatura, encontrándose que la temperatura estaba en 70°C versus 42°C, que es el valor normal de la temperatura de operación y que los valores de vibración mostraban 0,7 pulg/seg en la velocidad de la vibración versus 0,20 pulg/seg; se analizó el espectro de la vibración y se detectó que había un fuerte desgaste adhesivo en la superficie de babbitt del cojinete liso. El fluido de color gris que se drenaba del cojinete liso, a medida que se le adicionaba aceite nuevo, eran las partículas metálicas de cobre y de hierro que salían mezcladas con el aceite. Se procedió a apagar la caldera para inspeccionar el estado de la superficie de babbitt y se encontró totalmente destruida siendo necesario cambiar dicho cojinete liso. El otro cojinete liso de apoyo del rotor del ventilador se encontró con un desgaste adhesivo incipiente, tomándose la decisión de cambiarlo también.
La caldera donde trabaja el ventilador de tiro forzado, se sacó de servicio por espacio de 24 horas, lo que conllevó a la parada obligada, por falta de vapor, de un turbogenerador de 12 megavatios y de una serie de turbinas de vapor esenciales para el proceso de la Refinería. Las pérdidas por lucro cesante, en este caso, superaron los U$50.000, lo cual se hubiera podido evitar con una acción tan simple como la de colocarle un techo adecuado a los cojinetes lisos del ventilador de tiro forzado de la caldera que garantizara que el agua, en caso de lluvia, no se introdujera por el eje y contaminara ó desalojara el aceite de la carcaza del cojinete liso, dando lugar a su falla catastrófica.
La mayoría de los problemas de lubricación que ocurren en los equipos rotativos, se pueden evitar con acciones sencillas, de simple lógica y con poca inversión en tiempo y dinero.
Refinería de Petroperú, Lima-Perú. |
