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Para los operadores de turbinas de gas natural y los gerentes de mantenimiento, la formación de barniz es un problema que sigue afectando la eficiencia operativa y el rendimiento mecánico; además contribuye:
Las unidades de alta demanda, en particular, son las más afectadas por el barniz debido al calentamiento y enfriamiento cíclicos.
La formación de barniz cuenta con un largo historial en la maquinaria, pero solo recientemente se convirtió en un problema más difícil de controlar.
Una de las causas principales del notorio aumento de formación de barniz es que, a diferencia de los productos tradicionales que usaban aceites base del Grupo I, la mayoría de los fluidos para turbina modernos están hechos con aceites base más refinados del Grupo II. Este cambio reveló varias ventajas para los fabricantes, incluida la capacidad de agregar antioxidantes más complejos y efectivos que demuestran una mejor estabilidad oxidativa y térmica que cuando se usan con los aceites del Grupo I.
Las nuevas capacidades de rendimiento son una necesidad para las turbinas de gas, que representan la aplicación más exigente de los aceites para turbinas. También representan el mercado con mayor crecimiento de Norteamérica en la generación de energía, lo que resalta la importancia de enfocarse en esta categoría de formulación.
A pesar de su resistencia natural a la oxidación, el uso de los aceites base del Grupo II presenta como lamentable efecto secundario una menor solubilidad.
En el hidrocraqueo, el proceso utilizado para producir estos aceites base (que genera mejores propiedades de oxidación), se eliminan los compuestos que ayudarían a solubilizar el aceite. Por ello, las empresas de aditivos han tenido que adaptar sus químicos para mantener los compuestos en solución.
"La única opción para los fabricantes es especificar más rendimiento de los fluidos para turbinas, ya que las temperaturas más altas aceleran la oxidación, lo que genera múltiples problemas en el lubricante".
Otro motivo para la mayor prevalencia del barniz es que los fluidos para turbinas de gas natural se utilizan para realizar más funciones en entornos cada vez más hostiles.
A medida que se desarrollan metalurgias más avanzadas, la eficiencia y las temperaturas de encendido de las turbinas de gas siguen aumentando. En algunas turbinas industriales, el mismo reservorio de fluido brinda lubricación, de manera simultánea, a los cojinetes de la turbina, los cojinetes del generador, los compresores de aire de atomización, el sistema de aceite de elevación, el sistema de aceite de disparo hidráulico, el sistema de sellado hidrógeno del generador, los engranajes de carga y a una variedad de servoválvulas del circuito hidráulico.
Aunque los generadores de energía se benefician con las turbinas más eficientes y la potencia que ofrecen, las exigencias y el estrés sobre el aceite para turbinas tienden a aumentar. La única opción para los fabricantes es especificar más rendimiento de los fluidos para turbinas, ya que las temperaturas más altas aceleran la oxidación, lo que genera múltiples problemas en el lubricante como una mayor viscosidad, formación de barniz, formación de lodo, agotamiento de aditivos, descomposición del aceite base, obstrucción del filtro, pérdida del control de espuma, aumento del número ácido, formación de herrumbre y corrosión.
No se puede sobrestimar la importancia de elegir el fluido cuidadosamente. No hay indicios de que el fabricante del equipo original (OEM) planifique volver a los aceites del Grupo I. De hecho, a medida que pasa el tiempo, aumenta la probabilidad de avanzar a aceites más refinados, como los Grupos III y IV. Del mismo modo, las exigencias puestas sobre las turbinas y las condiciones operativas necesarias para cumplirlas han llegado para quedarse.
Por lo tanto, al seleccionar un fluido, sin duda el control del barniz seguirá siendo una prioridad para los operadores de turbinas de gas natural. En este contexto, vale la pena examinar cómo los operadores seleccionan los fluidos para asegurar que sus métodos estén alineados con las formulaciones más recientes disponibles en el mercado.
Actualmente, los operadores analizan las clasificaciones de rendimiento y pruebas (a menudo especificadas por el fabricante de equipo original) para elegir un fluido para turbinas que proteja contra la oxidación y prevenga la formación de barniz. En todos los sentidos, una evaluación basada en datos es el enfoque más lógico para tomar una decisión, junto con una prueba de campo. Los operadores y gerentes de mantenimiento necesitan estar seguros de que la inversión realizada podrá mitigar el riesgo de fallas.
El problema radica no solo en el enfoque de toma de decisiones, sino en lo que la industria aún acepta como prueba de referencia para medir el rendimiento del fluido.
Un método en particular (RPVOT o prueba de oxidación de recipiente bajo presión rotatorio) para medir el rendimiento del fluido (aunque sea extremadamente valioso como herramienta de evaluación comparativa) no es útil para predecir el rendimiento real en uso de las formulaciones de los fluidos para turbinas de gas de hoy en día, pero es un gran recurso para comparar determinados resultados del sistema a lo largo del tiempo.
La prueba de oxidación de recipiente bajo presión rotatorio (RPVOT) es una prueba de envejecimiento acelerado diseñada para evaluar la estabilidad a la oxidación de los lubricantes nuevos y en servicio que cuenten con la misma composición. Esta prueba se estableció como una norma ASTM en la década de 1960 y se ha convertido en la medida de facto para ayudar a los usuarios finales a determinar la vida útil restante de los fluidos para turbinas.
La RPVOT se lleva a cabo colocando el lubricante, agua y un catalizador de cobre en un recipiente bajo presión equipado con un manómetro. Luego, el recipiente se presuriza con oxígeno a 620 kPa (90 psi), se coloca en un baño de aceite a 150 °C o en un bloque seco a 150 °C y se rota de manera axial a 100 revoluciones por minuto (rpm). El resultado informado es el tiempo que tarda una caída de presión de 175 kPa (25,4 psi) por debajo de la presión máxima. La caída de presión indica que se ha consumido el oxígeno al reaccionar con los componentes del lubricante. La cantidad de minutos necesarios para alcanzar la caída de presión requerida se utiliza para deducir la estabilidad a la oxidación del lubricante.
Para las tecnologías más antiguas, los fluidos para turbinas basados en el Grupo I, este método de prueba demostró ser útil al predecir el rendimiento del aceite.
Sin embargo, los fluidos para turbinas de la nueva generación se degradan en índices no lineales e impredecibles, lo que se atribuye a los antioxidantes específicos, así como a las características naturales de resistencia a la oxidación de los aceites base del Grupo II. Como resultado, la prueba RPVOT casi no advierte sobre cuándo el lubricante comienza a degradarse y generar depósitos en el sistema. Entonces, se realizan varias pruebas a lo largo del tiempo y se utilizan las tendencias para mostrar el panorama general. Esto es evidente por varios motivos. Aquí le mostramos dos:
1. Algunos de los antioxidantes que generan valores muy altos en la RPVOT también pueden producir altos niveles de insolubles después del agotamiento, creando una correlación directa con la formación de barniz en el sistema de lubricación. De este modo, en algunos casos, estos químicos que muestran valores muy altos en la RPVOT han contribuido en el aumento del potencial de barniz en las turbinas de gas.
2. Los valores de la prueba RPVOT pueden ser considerablemente influenciados por la adición de algunos inhibidores de corrosión y pasivadores de metales. Estos tipos de aditivos pueden anular los efectos del catalizador primario en la prueba RPVOT, una bobina de alambre de cobre, lo que mejora los resultados de la prueba y ofrece una indicación falsa de las propiedades de oxidación del fluido. Por ese motivo, también se realizan otras pruebas de oxidación. En general, los inhibidores de corrosión se agotan rápidamente en los fluidos para turbinas, una vez que se ponen en servicio, ya que son polares y están diseñados para proporcionar una película protectora en superficies de metal. En algunas formulaciones de fluidos para turbinas, es común ver una gran reducción de los valores de la RPVOT durante el primer año de servicio, como consecuencia del agotamiento del inhibidor de corrosión. La retención de la RPVOT es un indicador mucho más sólido del rendimiento del aceite para turbinas que los resultados iniciales de la prueba RPVOT[1].
Cabe aclarar que la prueba RPVOT no se debe descartar. Sus resultados brindan una comparación de la calidad entre lotes con la misma composición.
Los operadores pueden (y deben) utilizar esta prueba para medir las propiedades básicas del fluido al inicio del uso del aceite y, con el tiempo, para seguir los efectos de la oxidación en esas propiedades.
Además, si cuenta con un reservorio con marcas o formulaciones mezcladas de fluidos para turbina, se recomienda llevar a cabo la prueba RPVOT como parte de un programa de pruebas para evaluar el estado del fluido. Los resultados de la RPVOT también se pueden utilizar como parte de un programa de análisis general para aceites en servicio con la misma composición.
Sin embargo, después de cierto punto, la prueba RPVOT ya no sirve para evaluar la vida útil relativa de las distintas formulaciones de aceite para turbinas de gas. Por lo tanto, la prueba RPVOT no se debe utilizar de manera "aislada" como medida para comparar lubricantes de la competencia.
Como nota al margen, la prueba RPVOT nunca tuvo por objetivo comparar el rendimiento entre distintas formulaciones de aceite. De hecho, el método desaconseja específicamente el uso de esta prueba para comparar aceites de distintas composiciones.
Según la norma ASTM D2272 – Método de prueba estándar de la estabilidad a la oxidación de los aceites para turbinas de vapor en recipiente bajo presión rotatorio:
"La estimación de la estabilidad a la oxidación [a partir de esta prueba] es útil para controlar la continuidad de esta propiedad en la aceptación de lotes de producción de la misma operación. No se pretende que este método de prueba reemplace el método de prueba ASTM D943 o se utilice para comparar la vida útil de los aceites nuevos con composiciones diferentes. Este método de prueba también se utiliza para evaluar la vida restante para pruebas de oxidación en los aceites en servicio".
Está bien desear una fórmula que cuente con una RPVOT alta, pero no si esa misma formulación produce barniz, lo que tiende a ser mucho más perjudicial para el sistema de turbinas. Hoy en día, los expertos reconocen que tiene más valor elegir una formulación con muy bajas tendencias a la formación de barniz y lodo.
Después de determinar que los índices de la prueba RPVOT no son ideales para elegir un fluido para turbinas de gas natural, se requieren clasificaciones alternativas para llenar el vacío. Con el paso de los años, han surgido varias pruebas valiosas y los expertos recomiendan utilizar una combinación de pruebas nuevas y consolidadas al determinar el fluido para turbinas correcto.
Mide el nivel de productos de degradación insolubles presentes en el aceite.
Este es un método de laboratorio relativamente nuevo para extraer contaminantes insolubles de una muestra de aceite para turbinas en uso sobre un parche de membrana. El color del parche se analiza mediante un espectrofotómetro.
Esta prueba puede utilizarse como guía acerca de la formación de depósitos insolubles generados por el lubricante. Esta prueba se considera altamente sensible y confiable para detectar cambios sutiles en los niveles de insolubles y ofrece la capacidad de predecir la formación de barniz. El objetivo es utilizar los resultados como una herramienta de monitoreo de tendencias de estados.
Mide los antioxidantes amínicos aromáticos y fenólicos ocultos en los lubricantes.
Con frecuencia, la voltamperometría es la técnica preferida para medir los antioxidantes, ya que es un indicador de prueba en campo, no prueba en laboratorio. Los antioxidantes son uno de los primeros componentes de la formulación de aceite para turbinas en ser afectados por el estrés térmico, oxidativo y mecánico, y brindan una alerta temprana del inicio de falla del lubricante. Al realizar la calibración con relación al aceite nuevo, se puede determinar la concentración residual de antioxidantes para calcular la vida oxidativa restante del lubricante.
Se han diseñado pruebas para medir la reserva de oxidación (la cantidad de protección restante) y el avance de la oxidación (la cantidad de oxidación presente). Ambos métodos de prueba tienen sus ventajas y la eficacia dependerá de la operación del fluido utilizado. Comprender cómo el fluido controla el problema de oxidación puede mejorar el intento de corregir la causa principal de la oxidación del fluido. El experto en lubricación debe conocer las herramientas de medición disponibles y qué pueden indicar. Por lo tanto, se puede enfrentar y posiblemente reducir la fuente de oxidación del fluido.
Excelente indicador del potencial de barniz
La prueba de ultracentrífuga (UC) expone una muestra de lubricante a fuerzas G que producen contaminantes insolubles degradados en el aceite generalmente asociados con el potencial de barniz. Los contaminantes insolubles generalmente tienen una mayor densidad y se desprenderán durante la prueba. Este material aglomerado se compara a una escala de clasificación para obtener un valor UC (clasificación del 1 al 8).
Mide la resistencia interna del aceite a fluir a una temperatura específica (a menudo cSt a 40 °C).
Esta prueba comprobada y confirmada todavía es invaluable. La viscosidad es una de las propiedades más importantes del aceite porque el espesor de la película de aceite, en condiciones de lubricación hidrodinámica, depende en gran medida de las características de viscosidad del aceite.
Cuantifica los niveles de contaminación de partículas por mililitro de fluido.
Es una prueba importante y se ha convertido en tendencia para todos los fluidos para turbinas. Determina la limpieza general del fluido.
Evalúa la estabilidad a la oxidación del lubricante mediante la prueba de las propiedades del aceite "nuevo" para turbinas.
La prueba TOST intenta determinar el rendimiento y la vida útil esperados del aceite para turbinas al exponer el aceite probado a estrés oxidativo mediante el uso de oxígeno, altas temperaturas, agua y catalizadores metálicos, los cuales pueden aumentar la formación de lodo y ácido. Como es imposible simular condiciones de uso reales en un laboratorio, es difícil correlacionar los resultados de la prueba con el rendimiento real en campo. Entonces, la mayoría de los OEM de turbinas utilizan la prueba TOST en sus especificaciones para descartar fluidos para turbinas de alto riesgo. Además, esta prueba no toma en cuenta otras señales de deterioro, tales como la formación de lodo o la corrosión de la bobina del catalizador. La prueba ASTM D4310 se utiliza para las mediciones de lodo.
Evalúa la estabilidad oxidativa y térmica del aceite para turbinas nuevo en superficies calientes.
Esta prueba se realiza a una temperatura y tiempo específicos y a un caudal constante. La muestra de lubricante se vierte sobre el panel caliente durante todo el período de la prueba. El lodo y el barniz se acumularán sobre las láminas y se podrá realizar una comparación visual al final de la prueba, así como determinar el peso del barniz/depósito.
Evalúa la capacidad que tienen los fluidos para turbinas de separar el aire atrapado.
Algunos OEM de turbinas de gas especifican límites para la liberación de aire en los requisitos de especificación de los aceites nuevos. Estos límites se definen como el tiempo que tarda el aire atrapado en el fluido en reducir el volumen a un 0,2 %, en las condiciones de la prueba y a una temperatura específica. En turbinas con sumideros pequeños y tiempo de retención mínimo, las mezclas con aire atrapado pueden llegar a los cojinetes y elementos críticos del control hidráulico, lo que puede generar fallas en la fortaleza de la película, pérdida del control del sistema y una mayor tasa de oxidación.
Además de analizar los resultados de las pruebas anteriores al comparar y seleccionar un nuevo fluido para turbinas, también se recomienda que los operadores implementen algunas de estas pruebas en las inspecciones rutinarias del aceite. Aunque las metodologías tradicionales para monitorear el estado oxidativo de los fluidos para turbinas usados (viscosidad, número ácido y RPVOT) aún presenten beneficios, es más probable que pruebas como la MPC y LSV muestren la degradación del aceite para turbinas en las primeras etapas e identifiquen las tendencias de depósito del fluido.
El barniz es una preocupación de la industria en general. Los operadores de turbinas de gas natural deben contar con la información correcta para seleccionar el fluido para turbinas adecuado que prevenga la formación de barniz de manera eficaz. Para asegurarse de que los operadores estén bien informados, la industria debe actualizar los métodos de prueba antiguos para adoptar pruebas de rendimiento más nuevas y precisas, tales como la prueba ASTM D7843 – Colorimetría del parche de membrana (MPC) y ASTM D6971 – Voltamperometría de barrido lineal (LSV).
La prueba RPVOT no tiene que desaparecer, ya que todavía es muy útil para comparar lotes o tendencias del mismo producto. Sin embargo, no es eficaz para predecir el rendimiento de la vida útil del aceite o para comparar fluidos distintos.
