e-TRIBOS Revista de la Asociación Argentina Tribología
Nro. 6 - Octubre
2015
o LA APRESURADA BÚSQUEDA DE LA ECONOMÍA DE COMBUSTIBLE o LOW VISCOSITY LUBRICANTS, INFLUENCE IN THE AUTOMOTIVE ENERGY o LUBRICACIÓN POR NIEBLA EN LA INDUSTRIA OIL& GAS e-Tribos
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e-TRIBOS Octubre 2015 Nro.6
Índice LA APRESURADA BÚSQUEDA DE LA ECONOMÍA DE COMBUSTIBLE Página 3
LOW VISCOSITY LUBRICANTS, THE INFLUENCE IN THE AUTOMOTIVE ENERGY EFFICIENCY Página 9
LUBRICACIÓN POR NIEBLA en la Industria OIL&GAS Página 12
Registro Nacional de la Propiedad Intelectual en trámite Editor: Roberto J. Leonetti
COMISIÓN DIRECTIVA
Presidente: José L.Piña Vicepresidente: Esteban Lantos Secretario: Walter R. Tuckart Tesorero: Roberto J. Leonetti Vocal: Alfredo E. Eilenberger Vocal: Esteban P. Echeverría Vocal: Carlos L.Romano Vocal Suplente: Sonia P. Brühl Revisor Cuentas: Germán Prieto Revisor Cuentas: José A. Rossit Revisor Cuentas: Andrés R. Pereyra
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LA APRESURADA BÚSQUEDA DE LA ECONOMÍA DE COMBUSTIBLE. De sus cenizas resurgen los aceites de baja Fricción Antonio J. Ciancio - Ingeniero de Lubricación de AXION energy (Mobil en Arg.) - Docente asociado e investigador del Centro Argentino de Tribología.
Resumen La Economía de Combustible es sin duda el factor impulsor más importante en la evolución de los motores, a la par de la búsqueda de la Protección Ambiental. Estos vectores impulsores han hecho aparecer aceites de muy baja viscosidad en el mercado de los autos de calle; y por eso ahora presenciamos el regreso de la protección contra el desgaste al tapete de las formulaciones: después de más de 30 años vuelve a ser una preocupación determinante de los fabricantes de motores. Introducción En las descripciones de las nuevas normas de los fabricantes vimos que aparecen los grados de viscosidad SAE “livianitos” y el concepto de “low SAPS” (aceites de Bajo contenido de Cenizas Sulfatadas, Azufre y Fósforo) Quiero aclarar que las bajas viscosidades son nuevas para el llenado en servicio de la unidad. Pero para el llenado en fábrica vuelvo al ejemplo del Ford Falcon, que ya en 1978 usaba un multigrado mineral SAE 10W-30 (API SF/CC con algunos ensayos adicionales)…este aceite estaba recomendado sólo para los primeros 3000 Km y lo tomábamos de alguna manera como aceite de “asentamiento” Ahora, en servicio, hablamos de aceites que deben durar entre 15000 y 20000 Km según la recomendación del fabricante, y esto implica que deben ser aceites sintéticos. El rigor que soportan los aceites puede representarse por la “densidad de potencia” que deben manejar (a veces lo vemos en la literatura como “oil stress”) Cuando creo ponerme creativo, trato de resumir en un sólo gráfico los diferentes parámetros que caracterizan la performance del aceite. Aquí les muestro mi último intento… El tamaño de las “burbujas” representa la densidad de potencia, es decir los caballos que “soporta” cada litro de aceite en el carter, y lógicamente cuanto más alto está la burbuja, es decir cuantos más kilómetros debe durar el aceite, mayor exigencia también. De los autos actuales, evidentemente el Vento es el que más exige al aceite…y una mirada al viejito Falcon 3,6 litros nos demuestra que podía andar perfectamente con un mineral multigrado. El método tiene una “trampita”: en realidad habría que mostrar la relación entre la potencia y todo el aceite empleado, es decir la capacidad del carter más el aceite agregado entre cambios. e-Tribos
Los aceites y motores modernos no tienen gran variación, porque en la mayoría de los casos se agrega menos de un litro en los 15000 Km…pero el Falcon se “comía” medio litro cada mil kilómetros, es decir que su “esferita” sería aún más pequeña
Para la próxima edición de este gráfico habrá que agregar el peso del vehículo y factores que tengan en cuenta el tipo de servicio (arranques y paradas frecuentes, aceleraciones y frenadas, etc.) Será cuando Don Bill Gates me haga más fácil el gráfico tridimensional. Debe notarse que la capacidad antioxidante del aceite debe duplicarse para pasar de 10000 Km a 15000 Km. Es una de las causas principales que nos obligan a recurrir a los sintéticos avanzados para Períodos entre Cambios de Aceite superiores a 15000 Km. En un buen esquema de diseño, los aceites con “alto Stress” deberían estar más abajo. Las esferas grandes deberían andar “por el piso” ¿Qué daños ocasionan a un motor los aceites con alto contenido de cenizas o SAPS? La primera respuesta que encontramos es que el Fósforo y el Azufre de los aditivos antidesgaste corroen a los metales de los catalizadores de Página 3
oxidación, llevando a su taponamiento o “envenenamiento”. Esto también aplica a los motores diésel ligero que tienen Filtro de Partículas (DPF) Sin embargo debemos recordar que: En motores de alta performance, con muy altas rpm, la temperatura del pistón sube rápidamente (mis vecinos dirían que “más que proporcional” a las rpm). Entonces en la cabeza del mismo se forman depósitos metálicos, residuos del aceite quemado. Esos depósitos se ubican en la parte externa, en lo que llamamos corona del pistón. ¿Qué daños pueden causar esos depósitos? En los motores nafteros provocan autoignición y “desordenada violencia” de la combustión, lo que lleva al “pistoneo” en distintas condiciones de marcha. En los motores turbodiésel estos depósitos aceleran la carbonización, tanto del combustible (más grave aun cuando tenemos 10% del menos estable biodiesel) y también degrada al aceite que llega después de cumplir su función de protección del aro superior o “de fuego”. Es el denominado aceite de sacrificio, la principal parte del consumo de aceite, normal para cada tipo de servicio. Esto no es todo. También se forman depósitos en lo que llamamos “primera meseta del pistón” y esto presenta el riesgo de acercarse tanto a la pared del cilindro que, en ciertas condiciones, puede rozarla y producir el desgaste o pulido del bruñido del cilindro …y mientras tanto provocan una ALTA FRICCIÓN y pérdida de energía Un aceite de bajas cenizas evitará este problema: minimiza el desgaste y economiza combustible.
Y finalmente, como se ha comprobado también en los motores GDI (inyección directa de nafta) los aceites con altas cenizas provocan muchos e-Tribos
depósitos en los vástagos y tulipas de las válvulas de admisión. Son el resultado del lubricante quemado, que va bajando por la guía de válvula, en cantidad mínima por el control de los retenes de válvulas. Una vez formados los depósitos en cantidad importante, impiden el buen enfriamiento de la tulipa de la válvula y así se genera un círculo vicioso, porque el recalentamiento acelera el ritmo de carbonización del aceite. El diseño mecánico prevé la protección de los asientos de válvulas con un “colchón” de cenizas provenientes del aceite quemado (así se absorbe la energía de los impactos entre la válvula y su asiento) Pero un EXCESO de metales en la fórmula hace que esas cenizas se vuelvan abrasivas. El desgaste posterior es rápido debido al giro de la válvula sobre el asiento. El descripto es otro efecto de las cenizas sobre la
eficiencia del motor, ya que no se trata de un mero efecto de fricción, sino que las cenizas impiden un buen sellado de la cámara de combustión, por un cierre defectuoso de las válvulas, lo cual repercute sobre el consumo de combustible y las emisiones tóxicas. Pero entonces ¿por qué algunos fabricantes prefieren los aceites con altas cenizas? Es una condición particular. Por ejemplo Volkswagen ha decidido estratégicamente exigir un aceite REO (aceite robusto para motor) en los países donde se debe operar con combustible de muy baja calidad, enfocando a China, India y Brasil. En esos países ha prohibido el uso de sus aceites de máxima performance VW 504.00 y 507.00, a fin de que nadie lo use por el kilometraje definido para Europa (20000 Km para nafteros y 30000 Km para diesel) Por otro lado se encuentra con la vigencia de la norma Euro 5, y los vehículos deben ser “flex fuel”: trabajan con nafta y alto contenido de etanol (E100 y E85) y también con metanol, y dudan mucho de la calidad del combustible diésel. Así Página 4
que han definido un aceite sintético SAE 5W-40 “Full SAPS” es decir que tiene TODA LA CENIZA posible. Por supuesto que las petroleras que lo venden advierten que no es apto para Especificación
sistemas de control de emisiones de gases tóxicos en el escape, en especial con catalizadores de oxidación (naftero o diesel) o con el filtro para partículas diesel (DPF)
Cenizas Sulfatadas
Fósforo
Azufre
Viscosidad HTHS
TBN
VW 504.00/507.00
0,6 %
<0,08%
<0,4 %
>3,5 cP
6
VW 508.88/509.99
1,3%
0,12%
0,7 %
>3,5 cP
11,4
Ese 1,3 % de cenizas puede traer los problemas de depósitos que describimos arriba. Debe notarse que los vehículos Amarok están equipados con catalizadores de oxidación en nuestro país. Entonces, ¿los aceites con altas cenizas irán desapareciendo? Podemos decir que hay una fuerte tendencia en ese sentido, pero depende del criterio del fabricante. Por ejemplo, Mercedes Benz en Argentina sigue recomendando su aceite de alto TBN, con la especificación MB 229.5, que nació allá por 1998 al diseñar en primer motor OM 611 para automóviles. El aceite en cuestión es un sintético avanzado de bases PAO-EsterAlquilNaftaleno, SAE 0W-40. Esto también refleja un criterio de cautela, esperando que estén disponibles en todo el país los combustibles con bajo azufre, como los llamados Diesel Euro, con contenido de azufre menor a 10 ppm (10 miligramos por cada Kg de combustible) ¿Cómo reconocemos que es un aceite “low SAPS”? En las normas americanas no hay una “codificación” específica aún, pero debemos saber que las normas API SN y SM limitan el contenido de Fósforo, entre 0,06 y 0,08 % en peso, y eso es indicativo de que hay compatibilidad con los catalizadores de tres vías de los motores nafteros. Los americanos no tienen diésel ligero. En cambio en las normas ACEA se han creado las categorías “C” específicas, compatibles con los sistemas de escape. Por ejemplo ACEA C1 y C4 son aceites “low SAPS”; y ACEA C2 y C3 tienen contenido MEDIO de cenizas, aptos para diversos postratamientos europeos. e-Tribos
Además, los aceites ACEA C1 y C2 son de baja fricción, con el valor de viscosidad a alta temperatura y alto esfuerzo mecánico (HTHS) limitado entre 2,9 cP y 3,5 cP Los aceites de baja fricción para lograr Economía de Combustible El cambio indispensable en los aceites es bajar la viscosidad. Se acepta que un valor muy representativo que correlaciona con el Fuel Economy es la Viscosidad a Alta Temperatura y Alto Esfuerzo Mecánico, identificada como HTHS (High Temperature; High Shear) Esta viscosidad representa lo que ocurre en los cojinetes de biela de un motor a plena potencia. El siguiente gráfico muestra una nube de puntos donde hay aceites con alternativas diversas de aditivos Modificadores de Fricción y Mejoradores de Viscosidad. Estos son los que más influyen en las características reológicas y de fricción de los aceites. En general se buscan las alternativas más económicas para lograr los objetivos de Economía de Combustible; y aun así, para el futuro inmediato, los aceites sintéticos son necesarios.
Dentro de esa gama de sintéticos 100% están los básicos Grupo III. Dentro de ellos están los Página 5
conocidos como “severamente hidrocraqueados” y los “Gas-to-Liquid” - Son sintéticos económicos comparados con las más efectivas PoliAlfaOlefinas (PAO) que se utilizan en compañía de los Diésteres y en algunos casos Alquil Naftalenos. Las PAO agregan para el Fuel Economy su mayor eficiencia en zonas muy críticas como los árboles de leva a la cabeza y todo el conjunto llamado tren de válvulas. Otra zona muy interesante donde las PAO sobrepasan largamente a las Grupo III es el paquete de aros de pistón, con todo el efecto de rozamiento contra la pared de cilindro. En el siguiente gráfico se ve la influencia en la fricción de cada subconjunto del motor, y se deduce por qué vale la pena trabajar con estas formulaciones:
16; SAE 12 y SAE 8. En realidad ya hubo un requerimiento para motorizaciones de 2016, en Argentina de un SAE 5W-16 sintético. Estos aceites deben ser utilizados en motores que los especifiquen estricta y literalmente. No es conveniente usarlos en motores de generación anterior, aunque sean del mismo modelo. Se entiende que los diseños de todos los huelgos y materiales se han adaptado en las nuevas series para estas viscosidades tan bajas. En los motores de servicio pesado, lógicamente por los mayores huelgos que tienen entre sus piezas, la adopción de viscosidades más bajas se adopta más cautelosamente. Es muy recordada la mala experiencia, en términos de desgaste y durabilidad de motor, que tuvo Mercedes Benz con un SAE 5W-30, hace 20 años atrás, auspiciado por otra petrolera de origen europeo. Veamos los trabajos de medición de Economía de Combustible de Scania y Volvo
Los ensayos meticulosos sobre consumo de combustible demuestran que no todos los sintéticos son iguales en eficiencia. Volvo ya está impulsando a los aceites SAE 10W30 y nivel de performance VDS-4. Un pensamiento muy personal es que debiera especificar que los aceites sean también sintéticos. Los minerales arrojarán seguramente un consumo de aceite relativamente alto en nuestro país. La Contribución De Modificadores de Fricción
En las recomendaciones de los fabricantes más exigentes ya figuran los aceites SAE 0W-20 para sus motores de avanzada. En el futuro cercano ya aparecerán los nuevos grados de viscosidad SAE e-Tribos
Los
Aditivos
Los aditivos Modificadores de Fricción también vuelven a ser muy “requeridos” para que aporten a la causa de la Economía de Combustible. No son nuevos, pero su aceptación ha tenido vaivenes, porque muchos de ellos tienen una vida muy corta y por lo tanto se pierde su efecto con los largos Períodos entre Cambios de Aceite que especifican los fabricantes. Página 6
Muchos de ellos son de origen orgánico, compuestos NO METALICOS o sustancias sin cenizas. Pueden ser “barridos” rápidamente por los metales con alta carga y temperatura ...pero han demostrado excelente SINERGIA con los Aditivos Antidesgaste Podemos definirlos como compuestos Orgánicos Polares, con Fuerte Atracción Intramolecular. Algunos ejemplos: Dioleil Fosfito (C18H35O)2POH Glicerol Diolatos (C18H35COO)2C3H6O …y su funcionamiento “mecánico” podría ser descripto como sigue:
(2) Trímero de Molibdeno
Lo que ocurre es que el Trímero es muy estable, a la vez que es un extraordinario antioxidante y antidesgaste.
Se ha detectado, con estudios tribológicos de avanzada, que a las altas presiones y temperaturas puntuales que se dan entre las levas y sus seguidores se desarrolla una reacción química que pone de relieve la sinergia entre los aditivos antidesgaste clásicos como el ZDDP y el MoDTC.
También, a partir de su mejor estabilidad y su característica “multifuncional” un organometálico tal como el Trímero de Molibdeno (MoDTC trimer) va ganado popularidad como Modificador de Fricción, a pesar que su contribución al Fuel Economy sea un poco inferior al de algunos orgánicos.
El microscopio electrónico y rayos X permitieron comprobar la formación de laminillas de MoS2, con su típica forma hexagonal. Su función como antidesgaste y modificador de fricción lo convierten en un aliado preferido para los formuladores. Haque et altri estudiaron a los tratamientos HDLC (Carbono símil Diamante, Hidrogenado) en sistemas tribológicos alternativos, pin de fundición sobre placas de acero tratadas con recubrimientos. Los tests fueron diseñados para simular el contacto típico de la leva con su seguidor. La fricción fue registrada durante toda la última hora de seis de ensayo. Se usaron varios aceites con base PAO, incluyendo aditivos clásicos como el ZDDP y dímeros y trímeros de Molibdeno, MoDTC (Trinuclear, Dialkyldithio Carbamate) y todas las combinaciones posibles. Se encontró el efecto positivo del Dialquil Ditio Fosfato de Cinc (ZDDP) junto a los Modificadores de Fricción, y concluyeron que este efecto es crucial para asegurar la capa tribológica.
Esquema simplificado de la molécula del Trímero de Molibdeno
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Encontraron láminas de MoS2 provenientes de los Modificadores de Fricción y compuestos ZnO / ZnS derivadas del ZDDP. El MoS2 fue detectado en las tribocapas formadas en las muescas de desgaste de los pins de fundición.
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El trímero dio capas muy superiores (0,067 µ comparados con 0,044 µ del dímero). Sin embargo, si se usan sólo los MoDTC se dan fallas catastróficas prematuras. Por otro lado si se usan sólo las PAO con ZDDP se forman películas antidesgaste de compuesto ZnP. Con esta alternativa se destruye rápido la estructura laminar del HDLC. Ambas situaciones son corregidas con las alternativas PAO+ZDDP+MoDTC: se consigue baja fricción y bajo desgaste. De Barros’Bouchet investigó los efectos sobre la fricción de estas últimas combinaciones con varias alternativas de DLC, en condiciones de lubricación límite, obteniendo los resultados que se observan en la figura:
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Esta es una de las bases para desarrollar los aceites sintéticos del futuro, aclarando que el AlquilNaftaleno (AN) es también una base de contribución superior en la disminución de la fricción. Claramente estos son los aceites para motor del futuro.
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LOW VISCOSITY LUBRICANTS, THE INFLUENCE IN THE AUTOMOTIVE ENERGY EFFICIENCY Gustavo Oleksuk Shell Lubricants Argentina, Technical Centre
INTRODUCCIÓN Con la presión por normas medioambientales cada vez más estrictas para controlar el calentamiento global (Euro 6 entre otras) y ante un futuro energético caracterizado por la incertidumbre sobre cuáles serán las tecnologías dominantes, los jugadores tecnológicos del mundo de la energía deben dar respuesta a dichos desafíos. Es por eso que los fabricantes de motores han considerado reducir el consumo de combustible con lubricantes adecuados para tal fin. Por caso para motores de ciclo Otto de aspiración natural, dicho consumo puede representar hasta el 5% del combustible consumido por el motor a velocidad de régimen. Ref.1). Es importante considerar las variables involucradas para una efectiva reducción energética y que comprenden la adecuada formulación de lubricantes incluyendo la selección de bases lubricantes y aditivos incorporados así como también la evolución en los motores con nuevos materiales y diseños constructivos. Con respecto a los lubricantes el uso de básicos que gracias a su elevado índice de viscosidad (HVI) permiten desarrollar una película lubricante que tiende a mantener su espesor antes los cambios de temperaturas experimentados en el motor a cualquier régimen considerado. Uno de los básicos con destacadas propiedades al respecto es el denominado Gas to Liquid (GTL) obtenido por medio del proceso Fischer-Tropsch. Dicha base lubricante presenta un elevado HVI (Índice de viscosidad) y por otro lado una baja volatilidad (Ensayo NOACK). Esta propiedad es muy importante desde el punto de vista del ahorro de energía ya que el lubricante en el motor no se ve sometido a “espesamiento” por perdida de sus fracciones livianas, manteniendo una baja viscosidad y por ende atenuando la demanda e-Tribos
energética del motor ya que no incrementa su coeficiente de fricción. Estas propiedades de la base GTL se deben a su elevado contenido de Iso-parafinas y es una cualidad inherente a la elaboración de este aceite básico. Por otro lado el básico GTL presenta una elevada resistencia a la oxidación, debido a la ausencia de aromáticos lo que demora los procesos de polimerización que incrementan la viscosidad y afectan el ahorro de combustible. Ref 2). El rol de los aditivos se vuelve fundamental dado que al utilizar lubricantes de baja viscosidad se reducen los espesores de películas y es vital una adecuada formulación en cuanto a aditivos modificadores de fricción y antidesgaste. El empleo de lubricantes de baja viscosidad tiene incidencia en el ahorro de combustible a través de minimizar las pérdidas de naturaleza mecánica. En el siguiente gráfico Fig 1, Ref 1) que corresponde a un motor de cuatro tiempos de aspiración natural con su respectivo balance térmico, se puede observar las mayores pérdidas energéticas corresponden con el calor que no se puede convertir en trabajo y que se elimina a través de los gases de escape y del agua de enfriamiento, por caso operando a un 80% de potencia nominal, se registra alrededor de un 56% de pérdida en los parámetros mencionados. Por otro lado y en similares condiciones de régimen un nada desdeñable 5% se pierde debido al trabajo y la fricción que genera el aceite lubricante al circular por los distintos componentes del motor al conformar las distintas películas lubricantes con finalidades protectivas y de atenuación del desgaste.
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Fig 2: Curva simplificado)
de
Stribeck
(esquema
Al respecto para estimar los ahorros de combustible recurrimos a los métodos desarrollados por Robert Ian Taylor Ref 3). Estos métodos consisten en ecuaciones desarrolladas por Taylor para estimar el espesor sor de película en cojinetes de motores de combustión interna, siendo aplicables a cojinetes cortos (usualmente el diámetro duplica el ancho) usados generalmente en autos. A través de estas ecuaciones se puede estimar el espesor mínimo de película (h) en un n cojinete expresado en micrones para una determinada viscosidad y la potencia pérdida (P) expresada en watts; Fig 1: Pérdidas energéticas en motor de aspiración natural-Ref 1). MATERIALES Y METODOS
Siendo los parámetros considerados:
Es necesario contemplar las distintas condiciones que en cuanto a condición de película lubricante pueden ocurrir dentro de un motor. Particularmente para ara evidenciar el ahorro de combustible vamos a considerar el espesor de película en cojinetes y el ahorro de potencia que se obtiene al operar el motor con menores viscosidades. En cojinetes suele obtenerse una condición de lubricación bastante ideal que es la película hidrodinámica, pero en otros componentes del motor no se logra esa condición por ejemplo el tren de válvulas que opera en condición limite, como se puede apreciar en la clásica curva de Stribeck con superposición de piezas de motor, fig. 2
Radio = R (m) Ancho = L (m) Velocidad Angular = ω (rad/s) Viscosidad= η (mPa.s) Huelgo Radial = c (m) Carga = W (N) P = pérdidas de Potencia (W) Es necesario considerar las dimensiones del cojinete y parámetros operacionales del motor, como las revoluciones y las cargas aplicadas. En general y si consideramos los cojinetes de biela por debajo de 4000 rpm sse puede establecer que la carga sobre los cojinetes es debida mayormente a la presión de los gases de combustión, siendo que a mayores revoluciones aumenta la incidencia de los momentos de inercia. Esto es importante ya que a bajas revoluciones el momento de menor espesor de película coincide con el pico de presión en la cámara de combustión del motor. Valores típicos para una estimación son; R=25mm; L=20 mm; C=30 micrones; Wmax=20000 N; RPM= 2500 Es importante destacar que estas ecuaciones no deben emplearse rse para cálculos de diseño de cojinetes donde se utilizan herramientas de mayor complejidad.
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RESULTADOS Y DISCUSIÓN Así para las viscosidades SAE 50; SAE 15W40 y SAE 0w20, se obtiene la fig 3:
de auto convencional podemos multiplicar por cuatro dicho valor, y así vemos que se puede obtener un ahorro de potencia de 98 Watts, solo en los cojinetes de biela que representan entre un 20 a un 30% de las pérdidas debidas a fricción del lubricante en el motor. Como se puede ver hay bastante correlación entre los valores obtenidos por las ecuaciones de Taylor y los medidos, si bien no es un método exacto, sirve para establecer tendencias. Es muy importante destacar que si bien al reducir los espesores de película se obtienen ahorros
Fig 3: Simulaciones de espesor de película a 100°C- Ref 4)
A continuación se adjuntan los mínimos espesores de película y la correspondiente pérdida de potencia para las tres viscosidades consideradas. Los valores entre paréntesis corresponden a las ecuaciones y son comparados con valores medidos de fricción. SAE 50
SAE 15w4 0
SAE 0w20
Espesor de film 4.32 mínimo (um) (3.35)
3.28 (2.73)
2.25 (2.03)
Pérdida de 98.1 Potencia (Watts) (92.3)
67.5 (68.1)
39.3 (43.6)
energéticos es importante prestar atención al fenómeno de desgaste en el motor. Estas nuevas tecnologías son factibles de emplear si a la vez se recurre a nuevos paquetes de aditivos, al ya tradicional aditivo antidesgaste ZDDP (dialkilditiofosfato de Zinc), se agregan compuestos con inclusión de MoS2 (Disulfuro de Molibdeno) y otros modificadores de fricción del tipo orgánico. Debe tenerse en cuenta que el lubricante 0w20 no es una viscosidad muy difundida, pero se observa entre los fabricantes de motores y autos una clara tendencia a reducir las viscosidades, por ejemplo del 15w40 a viscosidades como el 5w30. A ello contribuyen las nuevos materiales empleados en los motores modernos y su régimen de revoluciones. Por ello es de vital importancia seguir las recomendaciones de los fabricantes en cuanto a la viscosidad a emplear, ya que en vehículos antiguos las nuevas viscosidades pueden brindar una película no adecuada para controlar el desgaste ocasionando fallas severas.
Valores a 100°C
REFERENCIAS 1 2008 ASHRAE Handbook – HAVC Systems and equipment – Chapter 7. 2
CONCLUSIONES
Gas to Liquids. H.Ernest Henderson.
3 Tribology and energy efficiency: from molecules to lubricated contacts to complete machines, R.I. Taylor, The Royal Society of Chemistry 2012 4 Suzuki Presentation, R.I.Taylor, 2014
Considerando que la estimación es para un solo cojinete de biela, si evaluamos un motor e-Tribos
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LUBRICACIÓN POR NIEBLA en la Industria OIL&GAS. Extensión de vida de rodamientos en bombas centrífugas Cristián Daniel Schmid, Servicios y Tecnología en Ingeniería en Lubricación, Lubritech cristian.schmid@colfaxfluidhandling.com
Resumen En el trabajo se presentarán los aspectos técnicos de la lubricación por niebla en rodamientos de bombas centrífugas en refinerías y petroquímicas. A finales del año 2014, existen más de 100.000 equipos siendo lubricados por niebla, y aun así es una tecnología poco conocida y difundida. Luego de presentar la tecnología, se profundizará en los beneficios de incremento de vida de rodamientos, al reducir los niveles de contaminación en el sistema. Introducción La Lubricación por Niebla es una metodología contemplada en la Norma API (American Petroleum Institute) y en especificaciones de las principales Empresas Petroleras del Mundo. Sin embargo, en ciertos países, aún no es conocida como práctica recomendada para incrementar la confiabilidad de bombas centrífugas y otros equipos dinámicos en plantas de proceso. Esta tecnología puede ser aplicada en proyectos nuevos, o bien también como retrofit en unidades existentes. Desarrollo Recordemos que toda vez que tenemos un lubricante, buscamos cumplir diferentes funciones. Entre las principales podemos citar. •
Lubricar: Separar las partes metálicas en movimiento relativo para controlar el desgaste hacia su mínima expresión. • Refrigerar: En todo mecanismo en movimiento relativo, se genera calor; y la lubricación tiene como función, retirar ese calor de la zona de movimiento relativo. • Limpiar: En la zona de movimiento, se genera desgaste, entonces el lubricante tiene como función retirar esas partículas de la zona de movimiento para evitar contactos metal-metal. Protección Corrosión: En ambientes cargados de contaminantes como vapor, partículas,
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etc.; la lubricación también cumple la función de proteger las partes internas de los mecanismos contra la acción de estos contaminantes. Un sistema de lubricación por niebla brinda confiabilidad atomizando el aceite en pequeñas partículas y las dosifica en la cantidad correcta, proveyendo lubricante nuevo, limpio y seco a los rodamientos y a todas las superficies internas del alojamiento, proporcionando una lubricación óptima que reduce la fricción, incrementando la confiabilidad del equipo y la eficiencia energética. Es muy importante destacar que el hecho de pasar de lubricación por baño de aceite a niebla, otorga beneficios en cada una de las funciones anteriores; como puede verse en la siguiente tabla:
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Función
Baño de Aceite
Niebla
Lubricar
Al ser la niebla un gas, existe 100% de La llegada de lubricante hacia las partes en confiabilidad que en todo momento, las contacto, depende de la rotación y acción superficies en contacto, se encuentran del anillo levanta aceite. totalmente lubricadas.
Limpiar
El baño de aceite, actúa como un acumulador de contaminantes en el sistema, disminuyendo la función de limpiar, e incluso siendo contraproducente.
En todo momento ingresa niebla limpia desde el exterior, y luego de lubricar rodamientos, egresa del sistema arrastrando la suciedad del sistema; por lo que el sistema está cada vez más limpio.
Refrigerar
El baño de aceite propiamente dicho consume energía en forma de fricción líquida, logrando incrementar la temperatura de operación.
La niebla ingresa al sistema a 20°C y se elimina la fricción líquida propia del baño de aceite. Ambos efectos logran disminuciones de temperatura de 10°C promedio.
Protección corrosión
El baño de aceite sólo otorga protección contra la corrosión en aquellas partes La niebla presuriza internamente todo el donde existe contacto con el líquido. Para sistema, incluso para bombas en espera, bombas en espera (stand-by), la protección protegiendo contra la corrosión en un 100%. es deficiente.
Sistema de Lubricación por Niebla En la figura 1 podemos ver los componentes básicos de un sistema de lubricación por niebla, a saber:
Figura 1 Configuración Típica de un sistema de lubricación por niebla de aceite
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Consola Generadora de Niebla: Es la parte vital del sistema y donde se genera la lubricación por niebla. Existen de diferentes capacidades de generación, dependiendo del número de equipos a lubricar; y todos los diseños cuentan con el mismo principio de generación de niebla. La niebla contiene 200.000 partes de aire por cada parte de aceite; lo que da como resultado una mezcla muy fina, no inflamable y con una temperatura de 18 °C. Para generar la niebla no se requieren partes móviles, con lo que no existe desgaste en el componente principal del sistema. Este componente es un Vórtex con ciertos álabes mecanizados, donde ingresa el aire de instrumentación de planta a una presión mayor a 1 Bar; y siguiendo el camino de la forma del Vórtex, incrementa su velocidad en forma ciclónica hasta el punto más bajo del Página 13
mismo. Allí ese incremento de velocidad se traduce en una reducción de presión; que hace ascender al aceite en estado líquido, a través de un tubo capilar. En la zona en que el aire a alta velocidad y el aceite se
encuentran, es donde se producen los cambios termodinámicos y de presión, dando como resultado esta mezcla homogénea ya citada, con tamaños de partículas de aceite en torno a 3 micrones.
Aire
Salida Niebla
Niebla Aceite
Fig. 2. Cámara de generación de niebla en Consola. Puede verse un corte del Vórtex, y un esquema básico de los caminos seguidos por el aire de instrumentación y aceite hasta formar la niebla.
Es muy importante señalar que cada Consola de Niebla, cuenta con dos cabezas Vórtex para generar niebla; que las mismas sólo operan con aire de instrumentación y aceite, es decir, no requieren energía eléctrica para operar; y que al no contener partes móviles, el desgaste es mínimo, siendo su confiabilidad de operación muy elevada. Además, la consola cuenta con un sistema electrónico de monitoreo de los parámetros básicos de la lubricación por niebla, que en todo momento emite un aviso de operación normal. Si algún parámetro sale fuera de valores recomendados, al menos por un momento corto, la consola emite un aviso de revisión para realizar un chequeo local y asegurar la confiabilidad del sistema. Este sistema de monitoreo puede llevarse a sala de control para un mejor seguimiento. Cada consola tiene la capacidad de atender hasta un máximo de 70 bombas centrífugas.
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Sistema de distribución: Luego de ser generada la niebla en la consola, precisa ser transportada por la Planta De acuerdo al tamaño de partícula de aceite contenida en la niebla, la misma puede ser transportada hasta 150 metros a la redonda, sin perder calidad de lubricación. Hay que tener en cuenta que pequeñas gotas de aceite se van condensando en su transporte por la tubería, cambios de direcciones, etc., por lo que existe una limitación intrínseca en la distancia que puede ser transportada la niebla, sin perder sus propiedades. Para transportar la niebla, generalmente se utiliza tubería de 2 pulgadas de diámetro, con uniones roscadas; y bajantes de ¾ pulgadas de diámetro colocadas físicamente en cada aplicación a equipos. El diseño de la Ingeniería de tuberías es un aspecto crítico de la funcionalidad de este tipo de sistemas, y debe ser realizado por expertos en la materia, siguiendo las mejores prácticas, y recomendaciones de las Normas.
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Fig. 3. Sistema de distribución de niebla, con tubería principal de 2” con leve pendiente hacia la consola, y bajantes de aplicación de ¾” para cada equipo, finalizando en u n distribuidor o manifold de 8 salidas.
Sistema de aplicación: Como se comentó con anterioridad; la niebla puede ser transportada hasta 150 metros a la redonda desde su punto de generación. La clave de esto, estriba en que el generador Vórtex es capaz de lograr partículas muy pequeñas de aceite; las que son difícilmente condensables. Es tan pequeño el tamaño de estas partículas, que una niebla de esta característica no es apta para lubricar elementos mecánicos. Antes de aplicar a los mismos, se debe utilizar un elemento dosificador que entregue la cantidad adecuada a cada rodamiento; y a su vez que incremente levemente el tamaño de las partículas de aceite; hasta hacerlas aptas para lubricar. Estos elementos son llamados “reclasificadores”. Normalmente este nuevo tamaño es del orden de 10 micrones. A simple vista, la niebla sigue teniendo su misma apariencia, aunque ahora sí puede lubricar adecuadamente.
Fig. 4. Sistema de aplicación. A la salida del distribuidor, se conectan los reclasificadores que cumplen la función de dosificar correctamente la niebla. La misma llega a través de tubings de acero inoxidable hacia los rodamientos de los equipos a lubricar
Beneficios del Sistema Al inicio de este trabajo, revisamos los principales beneficios contenidos en este cambio en el método de lubricación. A continuación, nos centraremos exclusivamente en las mejoras que los niveles de contaminación ocasionan en la vida del rodamiento; y para ello seguiremos el siguiente razonamiento. 1- Comparación de los métodos de lubricación. 2- Cálculo de vida de rodamientos comparando ambos métodos de lubricación. --------------------------------------------------Lubricación por baño de aceite o salpique
Existen diferentes modelos de reclasificadores, especialmente por el tipo de niebla que entregan, y por la cantidad de niebla que dosifican. La unidad de medida es el BI (Bearing Inch); y se calcula de acuerdo al tipo de rodamiento, y a un factor de servicio que depende de la temperatura de operación, velocidad y potencia, entre otros factores. Fig. 5. Corte de Bomba Centrífuga lubricación por baño de aceite.
e-Tribos
con
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Durante la operación de la bomba, el aceite salpica los internos de la bomba, logrando realizar la lubricación en los puntos de contacto de los rodamientos. Es muy importante notar que este método de lubricación no cuenta con recirculación del aceite lubricante, por lo que la acumulación de suciedad, humedad y contaminantes en general va aumentando en el transcurso del tiempo, hasta que se realiza un cambio de aceite. Además, cuando la bomba no está trabajando, la mayor parte de sus internos queda expuesta a la acción externa que va aumentando la presencia de contaminantes en el lubricante. Lubricación por niebla de aceite
Fig. 6. Corte de Bomba Centrífuga con lubricación por niebla.
Durante la operación de la bomba, y mientras la misma se encuentra en espera, una cantidad constante de niebla nueva, libre de suciedad y agua, está ingresando y presurizando la caja de rodamientos de la bomba, logrando mantener unas condiciones de limpieza ideales, en lo que a contaminación del lubricante se refiere. La
e-Tribos
niebla que se genera en la consola, se transporta por la red de tuberías y se inyecta a los internos de la bomba, ha sido formada por partículas de aceite menores a 10 micrones de tamaño, y por lo tanto, incapaces de transportar consigo partículas contaminantes. Además, al existir un ingreso y egreso permanente de niebla, toda suciedad que pudiera generarse por desgaste en los internos, es inmediatamente retirada del sistema hacia el colector ecológico. Si pudiéramos observar en un gráfico que represente nivel de contaminación en ordenadas y el tiempo en abscisas, podríamos notar que cuando se lubrica una bomba con salpique o nivel de aceite, la presencia de contaminantes en el aceite va aumentando conforme pasa el tiempo, hasta que se produce un cambio de aceite. En cambio, para el caso de la lubricación por niebla, podemos suponer que el nivel de contaminación es siempre constante, y como mínimo del mismo nivel de contaminación que el aceite nuevo. Si tenemos en cuenta que para formar la lubricación por niebla, previamente se filtra el aceite con filtros β5>200, se puede considerar que el nivel de contaminación es mejor que el del aceite nuevo, manteniéndose constante durante el tiempo. Los estados anteriores para los diferentes tipos de lubricación, pueden verse en el siguiente gráfico:
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Fig. 7. Evolución en el tiempo de la presencia de contaminantes sólidos en un sistema de lubricación por baño de aceite, comparado con un sistema por niebla de aceite
A continuación vamos a utilizar los distintos niveles de contaminación de cada aplicación para calcular la vida útil de los rodamientos, utilizando para ello, la nueva metodología ISO 281 (International Organization for Standardization) para cálculo de vida de rodamientos. Se observan cuatro valores de niveles de contaminación: Lubricación con Nivel de Aceite: Contenido de agua alrededor a 1.000 ppm Nivel máximo de contaminación: Corresponde al aceite contaminado a punto de ser cambiado. Código ISO 22/19/16. Nivel mínimo de contaminación: Corresponde al aceite nuevo, al momento de realizar el cambio. Código ISO 18/15/12. Nivel medio de contaminación: Podemos expresar el comportamiento cícliclo anterior, como una única línea recta de valor intermedio. Código ISO 20/17/14.
Lubricación con Niebla de Aceite: Contenido de agua alrededor a 50 ppm Nivel máximo de contaminación: Corresponde al agregado de aceite nuevo sin e-Tribos
filtrar. Coincide con el nivel mínimo de contaminación del caso anterior. Código ISO 18/15/12. Línea roja en el gráfico anterior. Nivel mínimo de contaminación: Corresponde al agregado de aceite nuevo filtrado. Código ISO 16/13/10. Línea verde en el gráfico anterior. Si suponemos que al pasar de lubricación por baño de aceite a lubricación por niebla; tenemos las siguientes mejoras en cuanto a nivel de contaminación. Contenido de agua: De 1.000 ppm a 50 ppm Contenido de partículas: De ISO 22/19/16 a 16/13/10 Cálculo de vida de rodamientos comparando ambos métodos de lubricación. Tendríamos un incremento de vida en rodamientos de 3x al mejorar el nivel de presencia de partículas; como puede verse en la Figura 9; y a su vez de 4,8x al mejorar el contenido de agua, como puede verse en la Figura 10. Ambos efectos sumados; podrían ocasionar un incremento de vida de 6 veces en promedio. Página 17
20/17 5
19/16 3
7
18/15 3.5
9
3 3
6 7
>10
17/14 5
>10
6
15/12. 14/11. >10 7.5 >10 9
13/10. 12/9. 11/8. 10/7. >10 >10 >10 >10 >10 >10 >10 >10
3.5 6.5 3.5 9
4 4
7.5 >10
5 5
8.5 >10
7 7
>10 >10
3.5 6.5 4 9
4 5
8 >10
5 6
9 >10
6 7
10 >10
4 7.5 3.5 9
5 4
8.5 >10
6 5
9.5 >10
7 6
>10 >10
3.5 3.5
7 8
4 4
8 >10
5 5
10 >10
3 3
5.5 7
3.5 3.5
7 9
4 4
8 >10
5 5
3 3
5 7
3.5 4
7 9
4
16/13
26/23 4 4
2.5 4.5 2.5 5
6.5 10 6 >10
9 9
>10 >10
10 >10 >10 >10
>10 >10 >10 >10
>10 >10
7.5 >10 8 >10
9 >10 10 >10
>10 >10 >10 >10
>10 >10
8 8
>10 >10
10 >10 9 >10
>10 >10
6.5 >10 6 >10
8.5 >10 7 >10
10 >10
10 >10
5.5 >10 7 >10
8.5 10
4 5
9 >10
5.5 10 7 >10
8 9
25/22 3 3
2 2
3.5 4
2.5 2.5
4.5 6
3 3
5 7
2.5 2
1.5 1.5
3 3
2 2
4 4
2.5 2.5
5 5
3 3
6.5 7
1.7 1.6
1.3 2.3 1.3 2
1.5 1.6
3 3
2 2
3.7 4
2.5 2.5
5 5
1.4 1.3
1.1 1.8 1.2 1.5
1.3 1.5
2.3 2
1.7 1.7
3 3
2 2
3.5 4
1.2
1.1 1.5 1.3
1.3 1.2
1.8 1.6
1.4 2.2 1.5 2
1.6 1.7
3 3
1.05 1.5 1.3
1.3 1.8 1.2 1.6
1.2
24/21
23/20 3 3
6 7
22/19 2.5 4.5 2.5 5
21/18 2 2
3.5 4
1.4 2.3 1.5 2
1.7 1.7
3 3
1.1 1.5 1.3
1.3 1.8 1.2 1.6
1.2
2.5 4.5 2.5 5
20/17 1.2
2 2
3.5 4
2.5 2.5
5 5
3 3
6 7
4 4
8 9
5.5 10 6 >10
7 8
1.5 2.2 1.5 2
1.7 1.7
3 3
2 2
3.5 4
2.5 2.5
5 5
3.5 3
7 7
4.5 9 4.5 >10
6 6
1.1 1.5 1.3
1.3 1.8 1.2 1.6
1.5 2.3 1.5 2
1.7 1.7
3 3
2 2
3.5 4
3.7 3
8 8
5 5
1.2
1.1 1.5 1.3
1.3 1.8 1.2 1.6
1.5 2.3 1.5 2
1.7 1.7
3 3
2.5 3.5
6 6
3.5 4
1.2
1.1 1.5 1.3
1.3 1.8 1.2 1.6
1.5 2.3 1.5 2
1.8 3.7 1.7 3
3 2
4.5 4
3.5 2.5
1.2
1.1 1.5 1.3
1.4 1.8 1.3 1.6
1.5 2.3 1.6 2
1.8 1.8
3 3
2.2 2
1.3
1.2 1.6 1.4
1.4 1.9 1.2 1.8
1.5 2.3 1.5 2.5
1.8 1.8
1.2
1.1 1.6
1.3
1.6
19/16
18/15 2.5 5.5 2.5 6
17/14 2 2
4 4
16/13
15/12.
14/11.
Máquinas Hidráulicas y Motores
Rodamientos
Chumaceras y Cajas de Turbomaquinaría Engranes y otros
13/10. 2
Fig. 9. Tabla de extensión de vida por presencia de partículas sólidas en lubricante. Al mejorar el Código ISO desde 22/19/16 a 16/13/10, logramos un incremento de vida de 3 veces.
Fig. 10. Tabla de extensión de vida por presencia de agua en lubricante. Al mejorar la presencia de agua desde 1.000 a 50 5 ppm, logramos un incremento de vida de 4,8 veces.
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A los mismos valores se puede llegar, cuando se utilizan las ecuaciones teóricas de cálculo de vida de rodamientos, incluyendo
factores correctivos contaminantes.
por
presencia
de
CONCLUSIONES La lubricación por niebla, provee beneficios en cuanto a vida útil y mantenibilidad de equipos dinámicos en refinerías que totalmente justifican su implantación, tanto en proyectos de nuevo diseño, como en unidades existentes. Además de los beneficios logrados en confiabilidad y disponibilidad; este cambio tecnológico trae aparejados otros incentivos desde el punto de vista de ahorro en consumibles, beneficios ambientales, y sobre todo en seguridad de instalaciones y personal. Se recomienda que la tecnología sea adoptada y catalogada de “Best Practice”; tal y como actualmente es en las refinerías de clase mundial.
Esperamos haber contribuido con este trabajo, a entregar más elementos técnicos y económicos, a los efectos de difundir la tecnología y sus aplicaciones.
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Additionally, the ferrogram of the sample at 1500