DEFINICION

La vida de las máquinas también conocida como vida a la fatiga, se define como el número de horas que podrán alcanzar los diferentes componentes mecánicos que las constituyen garantizando una producción continua, con bajos costos tanto por mantenimiento preventivo como por consumo de energía. La vida proyectada de las máquinas se basa en los parámetros que el fabricante tuvo en cuenta durante su diseño como cargas, velocidades, temperatura, medio ambiente y materiales utilizados. Las nuevas teorías de vida esperada de los componentes de las máquinas se basan, tanto en las condiciones operacionales bajo las cuales las someten los usuarios como en el Indice de Viscosidad del lubricante utilizado, su aplicación y su nivel de limpieza de acuerdo con la Norma ISO 4406.

La curva tribológica de los componentes de una máquina es muy similar a la curva de la bañera de Davis (referida a las diferentes etapas en las que pueden fallar los componentes de las máquinas) y se conoce también como la curva de desgaste normal de cada uno de ellos a través del tiempo ; es característica para cada uno de los diferentes metales que constituyen la metalurgia de los mecanismos de la máquina y su contenido se específica en las partes por millón (ppm ) que pueden haber presentes en el aceite que se está utilizando al cumplirse su frecuencia de cambio. La curva tribólogica tiene tres etapas fundamentales que son: improductiva ó asentamiento del componente, productiva ó vida a la fatiga y final ó vida remanente (envejecimiento moral).

El asentamiento ó despegue de dos superficies que van a trabajar moviéndose la una con respecto a la otra en el mecanismo de un equipo, es la etapa más importante en la vida del mecanismo y de ella dependerá que alcance su vida a la fatiga ó que ésta se vea reducida considerablemente (conocida como mortalidad infantil); se presenta en las primeras horas de operación del mecanismo y el tiempo de duración varía de acuerdo con el tipo de mecanismo, los materiales utilizados, la rugosidad de las superficies, la clase de lubricante utilizado y la operación del equipo.

Durante el proceso de mecanizado de las dos superficies del mecanismo nuevo es prácticamente imposible garantizar que las crestas que componen su rugosidad serán uniformes, por lo que habrá necesidad de eliminar intencionalmente las más sobresalientes cuando las rugosidades se muevan la una con respecto a la otra; en la curva tribológica aparecerá un elevado desgaste durante las primeras horas de operación de dicho mecanismo; está situación es normal y el desgaste irá disminuyendo en la medida que las crestas más sobresalientes se vayan puliendo. Las partículas metálicas que se desprenden se deben evacuar del mecanismo lubricado ya que de lo contrario darán lugar a que se presente el desgaste abrasivo el cual disminuirá considerablemente la vida de servicio del mecanismo. Para obtener un correcto asentamiento de las rugosidades de las superficies del mecanismo nuevo es necesario tener en cuenta los siguientes aspectos:

·* No aplicar la carga normal de trabajo, sino la mínima posible ya que en ese momento el área real de trabajo sólo estará constituida por los picos de las crestas de mayor tamaño. La presión que actúa sobre la superficie de trabajo es igual a la fuerza sobre el área, así por ejemplo si se tiene una fuerza de 100 kgf y un área real de soporte de carga de 100 cm2, se tendrá una presión igual a 1kgf / cm2, si el mecanismo está nuevo el área será mucho menor, supóngase 50 cm2, lo que daría como resultado que si se le aplicara la carga normal de trabajo de 100 kgf la presión sería igual a 2 kgf / cm2, sobrepasando posiblemente la de diseño y en la curva esfuerzo - deformación de los materiales cuando el mecanismo se ponga en movimiento ó la lubricación sea del tipo ElastoHidrodinámica (EHL) y las irregularidades de las superficies interactúen es factible que el punto de trabajo quede localizado en la zona plástica dando lugar a la fractura de las crestas y al inicio de micro grietas internas que se irán propagando hasta destruir las superficies de fricción y por lo tanto el mecanismo. Si el mecanismo que se va a asentar son los engranajes de un reductor de velocidad, la recomendación es trabajarlo en vacío (acoplado solamente a la fuente motriz) por lo menos 48 horas, al cabo de las cuales se le puede ir incrementando la carga hasta normalizar las condiciones de operación.

·* Propiciar desgaste erosivo entre las crestas de las rugosidades de las dos superficies mediante la utilización de un aceite de un grado ISO de viscosidad mayor que el especificado por el fabricante del mecanismo. Las capas de aceite en exceso entran forzadas entre las crestas que se mueven la una con respecto a la otra, remueven la película límite que se encuentra adherida a ellas y las irán desgastando lentamente por erosión hasta que la rugosidad promedio de las dos superficies llegue a su valor normal. El exceso de viscosidad acelerará el asentamiento del mecanismo, sin embargo si hay suficiente tiempo para esta temprana etapa de la vida del mecanismo, se podrá llevar a cabo con el aceite recomendado por el fabricante de la máquina. El empleo de un aceite de menor viscosidad propiciará el desgaste adhesivo entre las crestas de las dos superficies con la desventaja de que al soldarse al entrar en contacto se fracturarán generando grietas internas que se propagarán y destruirán las superficies de fricción del mecanismo.

·* Si el sistema de lubricación del mecanismo es por salpique, el aceite se debe cambiar cada 48 horas de operación continua ó en su defecto se debe filtrar para retirarle las partículas metálicas que se van desprendiendo durante el proceso de asentamiento. En caso de que el aceite no se pueda filtrar directamente en el equipo rotativo sino que sea necesario cambiarlo, se debe ir almacenando hasta que se tenga la cantidad suficiente para filtrarlo ya que sus propiedades físico - químicas están en buen estado. Si el sistema de lubricación es por circulación es necesario hacerle al aceite cada 48 horas de operación continua un conteo de partículas según ISO 4406 para determinar en que momento se debe cambiar.

·* Hacerle al aceite cada 48 horas un análisis del contenido de metales en partes por millón (ppm) y conteo de partículas según ISO 4406 para determinar en que momento se estabiliza el desgaste del mecanismo y se da por terminada la etapa de asentamiento. El análisis del desgaste se puede complementar con el chequeo de la temperatura de operación ya que ésta irá disminuyendo hasta estabilizarse en la medida en que las crestas se vayan puliendo.

Cuando finalmente las rugosidades de las dos superficies se asientan el desgaste erosivo se estabiliza en un valor y permanece aproximadamente constante durante la etapa productiva ó vida a la fatiga del mecanismo.

Esta etapa es la más importante en la vida del mecanismo y tiene un rango de desgaste erosivo que permanece aproximadamente constante a lo largo de su período de explotación y que con los lubricantes que se conocen en la actualidad no puede llegar a ser cero; es característico para cada uno de los metales que constituyen el mecanismo y depende de sus condiciones de operación, del tipo de aceite utilizado, del índice de viscosidad (IV) y de la eficiencia de la filtración. La frecuencia de cambio del aceite la determina la tendencia al desgaste erosivo del mecanismo, la cual la especifica el fabricante y en caso tal de que no se conozca es necesario determinarla mediante el análisis periódico del contenido de metales en ppm presentes en el aceite cada vez que éste se cambia. Los factores que más inciden para que el mecanismo alcance su vida a la fatiga, para que sea mayor ó para que ésta se reduzca considerablemente son el IV y la calidad de la filtración del aceite.

El contenido de metales en ppm presentes en el aceite se analiza por espectro fotometría de emisión atómica y se lleva a cabo cada vez que el aceite se cambie; la cantidad de partículas metálicas debe ser aproximadamente igual a la tendencia al desgaste del mecanismo, si es menor es un buen síntoma de que el mecanismo está trabajando correctamente y si es mayor es porque algo anormal está sucediendo. En este último caso se cambia el aceite y en el período que sigue se le analiza el contenido de metales por lo menos tres veces antes de que se cumpla la frecuencia de cambio, si la situación se normaliza el problema fue ocasionado probablemente por sobrecargas ó por contaminación del aceite con polvo del medio ambiente lo cual se podría comprobar si el contenido de Silicio (Si) en ppm fue alto cuando se presentó el desgaste del mecanismo por fuera de su tendencia normal, en caso contrario si el problema del alto contenido de partículas metálicas en ppm en el aceite persiste, es necesario en el período que sigue hacerle un seguimiento al mecanismo con técnicas como el chequeo de la temperatura de operación, análisis del espectro frecuencial de las vibraciones para determinar si hay algún tipo de problema en el mecanismo como desalineamiento, desbalanceo, roces, solturas, etc, conteo de partículas según ISO 4406 y ferrografía; comparando los resultados de estas técnicas es factible conocer con mucha exactitud la causa real del desgaste del mecanismo.

Una vez que se ha alcanzado la vida a la fatiga del mecanismo, la curva de desgaste se vuelve ascendente y el análisis del contenido de metales en ppm entre cambios del aceite va mostrando una rata de crecimiento exponencial lo cual es un claro indicio de que la vida del mecanismo está llegando a su fin. En esta etapa es muy importante conocer con mucha aproximación cuando se debe parar la máquina para cambiarle dicho mecanismo, ya que si se hace a destiempo se desaprovecharía parte de su vida residual generando costos de mantenimiento y pérdidas de producción y por el contrario si se sobrepasa el tiempo máximo que puede trabajar el mecanismo con confiabilidad se produciría su falla catastrófica con graves consecuencias para el sistema productivo de la empresa.

Para determinar con mucha exactitud el momento en que se debe parar la máquina para intervenirla, es necesario utilizar técnicas de monitoreo como el chequeo de la temperatura de operación, análisis del espectro frecuencial de las vibraciones , conteo de partículas según ISO 4406 y ferrografía. Esta última técnica es una de las más importantes ya que conociendo el tamaño de las partículas, su forma y el tipo de material es factible conocer la gravedad y el tipo de desgaste que se está presentando en el mecanismo.

La curva tribológica positiva de un mecanismo se proyecta por debajo de la tendencia al desgaste especificada por el fabricante y se presenta cuando en su lubricación se utiliza un aceite que por lo regular es sintético con un IV mayor que el que se ha venido utilizando y / ó se mantiene el aceite con un código ISO de limpieza mayor que el especificado para el tipo de mecanismo lubricado. Esta curva es de alta productividad y aumenta la confiabilidad de la máquina; no es fácil de obtener en la práctica porque se requiere un alto nivel de conocimientos por parte del personal de mantenimiento en los temas de la lubricación y de la filtración.

La curva tribológica negativa de un mecanismo se proyecta por encima de la tendencia al desgaste especificada por el fabricante y se presenta por múltiples causas entre las que se tienen un mal asentamiento de las rugosidades, una operación incorrecta del mecanismo, una mala lubricación y altas vibraciones ocasionadas por desalineamiento , desbalanceo, etc. Esta curva es muy fácil de que se presente en la práctica y da lugar a que el mecanismo lubricado se tenga que cambiar mucho antes de la terminación de su vida a la fatiga, generando altos costos de mantenimiento. Una vez que se detecta que la tendencia al desgaste del mecanismo es anormal se pueden hacer algunos correctivos para normalizarla siendo los más importantes la utilización de lubricantes sintéticos con altos IV y la implementación de programas preventivos de filtración del aceite. Si la temperatura de operación del mecanismo, medida en la carcasa, es superior a los 50°C se debe analizar si el calor generado es por exceso de fricción en el mecanismo en cuyo caso se debe hacer un estudio del coeficiente de fricción de la película lubricante del lubricante utilizado y finalmente considerar la posibilidad de refrigerar el aceite para mantenerlo como máximo en 50°C.

INQUIETUDES DE NUESTROS SUSCRIPTORES

En nuestra Refinería de petróleo tenemos un problema bastante crítico en 20 reductores Phildelphia de 300 HP cada uno que trabajan en una Torre de Enfriamiento; de acuerdo con lo especificado por el fabricante estos reductores de velocidad tienen una vida útil de 175.200 horas, sin embargo se nos están presentando fallas catastróficas aproximadamente a las 30.000 horas de trabajo. Nuestro programa de monitoreo de vibraciones nos ha permitido garantizar que en estos equipos no se presenten fallas debido a sobrecargas, desalineamientos ó desbalanceos. Estos reductores de velocidad están trabajando a 100°C de temperatura, el tubo de ventilación se encuentra en la parte superior del reductor de velocidad y dentro del cono, el aceite utilizado es un ISO 320 EP derivado del petróleo y la tubería interna de circulación de aceite es de cobre. Quisiéramos saber si es factible que alguno de los parámetros citados anteriormente estén repercutiendo en la calidad de la lubricación de los reductores de velocidad y tenga incidencia por lo tanto en las fallas catastróficas que se nos están presentando.

Refinería del Alto Anchicaya, La Paz - Bolivia

De acuerdo con los datos suministrados se puede analizar que las condiciones están dadas para que los reductores de velocidad Philadelphia que trabajan en la Torre de Enfriamiento fallen de manera catastrófica y mucho antes de que alcancen su vida de servicio. A nivel de laboratorio hay una prueba que permite evaluar de manera acelerada la resistencia a la oxidación de un aceite; esta prueba consiste en adicionarle a una muestra de 40 cc de aceite 40 cc de agua, agitar la mezcla, suministrarle oxígeno mediante una manguera a presión, introducirle una lámina de cobre y finalmente calentarla a 90°C durante un periodo de tiempo determinado, al cabo del cual se le mide el AN (Número Acido); de acuerdo con el valor del AN que se obtenga se determina cual es la resistencia de este aceite a la oxidación. Como se puede apreciar, las condiciones operacionales de los reductores de velocidad son similares a los parámetros utilizados en la prueba de oxidación acelerada del aceite, lo que permite concluir que mientras los reductores de velocidad sigan operando a altas temperaturas, el aceite contaminado con agua (el tubo de ventilación está ubicado dentro del cono), la tubería de circulación de aceite de cobre y el aceite de tipo mineral, las fallas catastróficas en estos equipos rotativos se seguirán presentando.

Para resolver el problema es necesario reducirle la temperatura de operación a los reductores de velocidad mediante la implementación de un sistema de enfriamiento, como son 20 equipos, se puede colocar un solo sistema de enfriamiento centralizado en la parte inferior de la Torre de Enfriamiento y desde allí el aceite se bombea desde un depósito central, haciéndolo pasar previamente por los enfriadores de aceite y filtros, hasta la parte superior de la Torre de enfriamiento, desde donde el aceite se distribuye hasta cada uno de los 20 reductores de velocidad. Una vez que el aceite enfría los reductores de velocidad circula de nuevo hasta el deposito de aceite para reacondicionarse y volver a iniciar su ciclo. Paralelamente es necesario cambiarle a los reductores de velocidad la tubería interna de circulación de aceite de cobre por acero inoxidable y reubicar el tubo de ventilación de cada reductor de velocidad, montándolo en la parte exterior del cono. Si se desea incrementar aún más la confiabilidad y el tiempo medio entre fallas de estos equipos, se recomienda la implementación de un aceite sintético (PAO ó PAG) en lugar del derivado del petróleo que están utilizando en la actualidad.

Con las anteriores recomendaciones se cumple con la regla de oro en lubricación que es lubricar los equipos rotativos con un aceite refrigerado (máximo 50°C), limpio (mínimo bajo el código ISO de limpieza recomendado), sintético (altos Indices de Viscosidad) y libre de agua y de partículas de cobre y de hierro.