Generalidades de la Tribología Fundamentos de la Lubricación, Fricción

y el Desgaste

Fundamentos de la Tribología

1.1 Historia y antecedentes La Tribología podría parecer algo nuevo, pero es solo la percepción, solamente el término como tal lo es, ya que el interés en temas relacionados con la disciplina existe desde antes de que la historia se escribiera. Como un ejemplo, se sabe que las “brocas” realizadas durante el periodo Paleolítico para perforar agujeros o para producir fuego, eran “fijados” con rodamientos hechos de cornamentas o huesos. Los documentos históricos muestran el uso de la rueda desde el 3500 A.C., lo cual ilustra el interés de nuestros antepasados por reducir la fricción en movimientos de traslación. Los egipcios tenían el conocimiento de la fricción y los lubricantes, esto se ve en el transporte de grandes bloques de piedra para la construcción de monumentos y pirámides. Para realizar esta tarea utilizaban agua o grasa animal como lubricante. El artista científico renacentista Leonardo Da Vinci fue el primero que postuló un acercamiento a la fricción. Da Vinci dedujo la leyes que gobernaban el movimiento de un bloque rectangular deslizándose sobre una superficie plana, también, fue el primero en introducir el concepto del coeficiente de fricción. Desafortunadamente sus escritos no fueron publicados hasta cientos de años después de sus descubrimientos. Fue en 1699 que el físico francés Guillaume Amontons redescubrió las leyes de la fricción al estudiar el deslizamiento entre dos superficies planas. Muchos otros descubrimientos ocurrieron a lo largo de la historia referentes al tema, científicos como Charles Augustin Coulomb, Robert Hooke, Isaac Newton, entre otros, aportaron conocimientos importantes para el desarrollo de esta ciencia. Al surgir la Revolución Industrial el desarrollo tecnológico de la maquinaria para producción avanzó rápidamente. El uso de la potencia del vapor permitió nuevas técnicas de manufactura. En los inicios del siglo veinte, desde el enorme crecimiento industrial hasta la demanda de una mejor tribología, el conocimiento de todas las áreas de la tribología se expandió rápidamente. La tribología es la ciencia y tecnología que estudia la lubricación, la fricción y el desgaste de partes móviles o estacionarias. La lubricación, la fricción y el desgaste tienen una función fundamental en la vida de los elementos de maquinas. El termino tribología viene del termino griego tribos, que significa frotamiento o rozamiento y logía que viene a ser ciencia, por tanto la traducción literal será “la ciencia del frotamiento”. La mayoría de las consecuencias de la fricción y el desgaste se consideran negativas, tales como el consumo de energía y la causa de las fallas mecánicas, sin embargo existen beneficios fundamentales de la fricción y el desgaste. La interacción neumático y el piso por ejemplo o el zapato y el suelo, sin los cuales trasladarse seria imposible. La fricción sirve como el mecanismo de conexión inherente en los nudos, los clavos y el conjunto tuerca tornillo. El esfuerzo de diseño no solo debe ser menor que el esfuerzo permisible y la deformación no debe exceder ningún valor máximo, sino que la lubricación, la fricción y el desgaste (consideraciones

tribológicas) también deben ser apropiadamente comprendidas para que los elementos de maquinas se diseñen con éxito. Es reconocida como fuente de gran potencial para economizar recursos financieros además de la preservación de activos físicos, materias primas y recursos energéticos. También como una ineludible forma de hacer Mantenimiento Proactivo en equipos y maquinarias. Como en la resistencia de materiales, la tribología es la base para cada diseño de ingeniería de elementos de maquinas. Casi ningún elemento de maquina no depende de consideraciones tribológicas. Dentro de los tres grupos inherentes que comprende trataremos inicialmente de la lubricación que es el que justamente nos interesa mas, en otras palabras como tratar los efectos que produce la fricción, el desgaste y en consecuencia el remedio es una visión proactiva hacia una lubricación racional y efectiva.

1.2 Lubricación

El propósito de la lubricación es la separación de dos superficies con deslizamiento relativo entre sí de tal manera que no se produzca daño en ellas: se intenta con ello que el proceso de deslizamiento sea con el rozamiento más pequeño posible. Para conseguir esto se intenta, siempre que sea posible, que haya una película de lubricante (gaseoso, líquido o sólido) de espesor suficiente entre las dos superficies en contacto para evitar el desgaste. El lubricante en la mayoría de los casos es aceite mineral. En algunos casos se utiliza agua, aire o lubricantes sintéticos cuando hay condiciones especiales de temperatura, velocidad, etc. Históricamente es interesante señalar que únicamente con la mejora de los procesos de fabricación de elementos metálicos (a partir de la revolución industrial) y el aumento de las velocidades de giro de ejes y elementos rodantes se ha podido obtener los valores de disponibilidad que actualmente tenemos con ellos.

1.3 Objetivos y campos de aplicación

El objetivo de la lubricación es reducir el rozamiento, el desgaste y el calentamiento de las superficies en contacto de piezas con movimiento relativo. La aplicación típica en ingeniería mecánica es el cojinete, constituido por muñón o eje, manguito o cojinete. Campos de aplicación:

cojinetes del cigüeñal y bielas de un motor (vida de miles de Km.).

cojinetes de turbinas de centrales (fiabilidad del 100%).

Los factores a considerar en diseño son técnicos y económicos:

cargas aplicadas y condiciones de servicio.

condiciones de instalación y posibilidad de mantenimiento.

tolerancias de fabricación y funcionamiento; vida exigida y vida útil.

costos de instalación y mantenimiento.

La lubricación por película fluida ocurre cuando dos superficies opuestas se separan completamente por una película lubricante y ninguna aspereza está en contacto. La presión generada dentro el fluido soporta la carga aplicada, y la resistencia por fricción al movimiento se origina completamente del cortante del fluido viscoso. El espesor de la película lubricante depende en gran parte de la viscosidad del lubricante tanto en el extremo alto como bajo de la temperatura.

1.4 Superficies Concordantes

Las superficies concordantes se ajustan bastante bien una con otra con un alto grado de conformidad geométrica, de manera que la carga se transfiere a un área relativamente grande. Por ejemplo el área de lubricación para una chumacera será de 2π por el radio por la longitud. El área de la superficie que soporta una carga permanente generalmente constante mientras la carga se incrementa.

Fig. 1 Chumacera y manguito

La chumacera con lubricación de película fluida representada en la figura 1 y los cojinetes deslizantes tienen superficies concordantes. En las chumaceras la holgura radial entre el cojinete y el manguito es por lo general la milésima parte del diámetro del cojinete; en los cojinetes deslizantes la inclinación de la superficie de estos respecto al rodillo de rodadura suele ser muy rara. Un ejemplo de superficie concordante es la junta de la cadera del ser humano.

1.5 Superficies no Concordantes

Muchos elementos de maquinas lubricados por una película fluida tienen superficies que no concuerdan entre si. Entonces un área pequeña de lubricación debe soportar todo el peso de la carga. Por lo general el área de lubricación de una conjunción no concordante es 3 veces menor que la magnitud que la de una superficie concordante. El área de lubricación entre superficies no concordantes se agranda bastante con el incremento de carga; pero aun así es más pequeña que el área de la lubricación entre las superficies concordantes. Ejemplos de superficies no concordantes son el acoplamiento de los dientes de un engranaje, el contacto entre levas y seguidores, y también los cojinetes de elementos rodantes.

Fig. 2 Representación de superficies no concordantes

1.6 Tipos de lubricación, Lubricación Hidrodinámica

Tenemos cuatro tipos básicos de lubricación y estos se desarrollan a continuación. La lubricación hidrodinámica se caracteriza en superficies concordantes con una lubricación por película fluida. En este tipo de lubricación las películas son gruesas de manera que se previene que las superficies sólidas opuestas entren en contacto. Con frecuencia se la llama la forma ideal de lubricación, porque proporciona baja fricción y alta resistencia al desgaste. La lubricación de las superficies sólidas se rige por las propiedades físicas del volumen del lubricante, especialmente de la viscosidad; por otra parte, las características de fricción se originan puramente del cortante del lubricante viscoso.

Una presión positiva se desarrolla en una chumacera o en un cojinete de empuje lubricados ambos hidrodinámicamente, porque las superficies del cojinete convergen, y su movimiento relativo y la viscosidad del fluido separan las superficies. La existencia de una presión positiva implica que se soporta la aplicación de una carga normal. Generalmente la magnitud de la presión que se desarrolla es menor que 5 Mpa y no es lo suficientemente grande para causar una deformación elástica significativa en las superficies. En un cojinete lubricado hidrodinámicamente el espesor mínimo de la película es función de la carga normal que se aplica W, de la velocidad ub, de la viscosidad absoluta del lubricante η0 y de la geometría (Rx y Ry). En la figura 3 se representa características de la lubricación hidrodinámica. El espesor mínimo de película hmin como una función ub y W para el movimiento deslizante se obtiene mediante la ecuación 1: Donde el espesor mínimo de la película normalmente excede 1 μm.

(hmin)≈(ub / W ) ^½ Ec. 1

Fig. 3 Lubricación hidrodinámica

1.6.1 Lubricación Elastohidrodinámica (EHL)

Este es un tipo de lubricación que desde su descubrimiento por los profesores británicos Dowson Duncan y Higginson Gordon en la década de los años 50’s marcó el verdadero comienzo a la solución de los problemas de desgaste en mecanismos que funcionaban sometidos a condiciones de altas cargas y bajas velocidades y que hasta entonces se manejaban como mecanismos lubricados por película límite ó fluida. La lubricación EHL se presenta en mecanismos en los cuales las rugosidades de las superficies de fricción trabajan siempre entrelazadas y nunca llegan a separarse. En este caso las crestas permanentemente se están deformando elásticamente y el control del desgaste y el consumo de energía depende de la película adherida a las rugosidades. Se podría denominar esta película como límite pero de unas características de soporte de carga y de resistencia al desgaste mucho más elevadas que las que forma la película límite propiamente dicha. En la lubricación EHL la lubricación límite es permanente, ó sea que no hay mucha diferencia entre las condiciones de lubricación en el momento de la puesta en marcha del mecanismo y una vez que este alcanza la velocidad nominal de operación. La definición de la lubricación Elastohidrodinámica se puede explicar así: Elasto: elasticidad, ó sea que la cresta de la irregularidad en el momento de la interacción con la cresta de la otra superficie se deforma elásticamente sin llegar al punto de fluencia del material; Hidrodinámica, ya que una vez que ocurre la deformación elástica la película de aceite que queda atrapada entre las rugosidades forma una película hidrodinámica de un tamaño microscópico mucho menor que el que forma una película hidrodinámica propiamente dicha. En la lubricación hidrodinámica el espesor de la película lubricante puede ser del orden de 5 mm en adelante, mientras que en la EHL de 1 mm ó menos. Normalmente esta lubricación esta asociada con superficies no concordantes y con la lubricación por película fluida.

1.7 Lubricación Marginal

En la lubricación marginal los sólidos no están separados por el lubricante, los efectos de la película fluida son insignificantes y existe un contacto de las asperezas importante. El mecanismo de lubricación por contacto se rige por las propiedades físicas y químicas de las películas delgadas de superficie de proporciones moleculares. Las propiedades volumétricas del lubricante tienen menor importancia y el coeficiente de fricción es esencialmente independiente de la viscosidad del fluido. Las propiedades de los sólidos y la película del lubricante en las interfaces comunes determinan las características de la fricción. El espesor de las películas de superficie varia entre 1 y 10 nm, dependiendo del tamaño molecular.

La Fig. 4 ilustra las condiciones de película fluida en la lubricación marginal. Las pendientes de la superficie y los espesores de la película se encuentran magnificados por fines didácticos.

Fig. 4 Condiciones de película que se requieren para la lubricación a) lubricación por película fluida: superficies separadas por la masa principal de la película lubricante; b) lubricación mixta; tanto la masa principal del lubricante como la película marginal tienen una función; c) lubricación

marginal: el desempeño depende esencialmente de la película marginal.

En la Fig. 5 se muestra el comportamiento del coeficiente de fricción en los diferentes regímenes de lubricación. El coeficiente de fricción medio se incrementa hasta un total de tres veces mas al pasar del régimen hidrodinámico, al elastohidrodinámico, al marginal y al sin lubricación.

Fig. 5 Diagrama de barras que muestra los coeficientes de fricción para varias condiciones de lubricación

La Fig. 6 muestra la tasa de desgaste en los varios regimenes de lubricación determinada por la carga de operación. En los regímenes hidrodinámicos y elastohidrodinámicos existe poco o ningún desgaste pues no hay contacto de asperezas. En el régimen de lubricación marginal, el grado de interacción de asperezas y la tasa de desgaste se incrementan a medida que la carga aumenta. La transición de lubricación marginal a una condición no lubricada se distingue por un cambio drástico en la tasa de desgaste. A medida que se incrementa la carga relativa en el régimen no lubricado la tasa de desgaste se incrementa hasta que se presentan estrías o cuando ocurre el agarrotamiento y el elemento de maquina ya no opera adecuadamente. La mayoría de las maquinas no operan por mucho tiempo sin alguna lubricación con la consecuencia inmediata de una falla de los elementos involucrados.

La lubricación marginal se utiliza en los elementos de maquinas con cargas pesadas y bajas velocidades de operación, donde es difícil obtener una lubricación por película fluida. Como ejemplo clásico tenemos el funcionamiento de las bisagras de las puertas que utilizan esta lubricación.

Fig. 6 Rapidez del desgaste para varios regimenes de lubricación

1.8 Lubricación Mixta La grafica generada por un rugosímetro tal como lo muestra la Fig. 7 una línea media de referencia. Este sistema se basa en la selección de la línea media como centroide del perfil. De esta forma las áreas por encima y debajo de esta línea son iguales, de manera que el promedio zi es cero. Es una condición intermedia entre las películas límite e hidrodinámica, en la cual un buen porcentaje de las crestas de las dos superficies interactúan presentándose la película límite y otras ya están separadas en las cuales la película límite no desempeña ninguna labor. En lubricación mixta el desgaste y el consumo de energía dependen tanto de las características de la película límite como de la resistencia a la cizalladura de la película fluida y de su estabilidad (IV). Si las presiones en los elementos de maquinas lubricados resultan ser demasiado altas (alta carga) o las velocidades de operación son demasiado bajas, la película del lubricante se dispersa; existe algún contacto entre asperezas y entonces ocurre este tipo de lubricación. El comportamiento de la conjunción en un régimen de este tipo se rige por una combinación de efectos marginales y de película fluida. La interacción parcial ocurre entre una o más capas moleculares de películas de lubricación marginal. La acción parcial de la lubricación de película fluida se desarrolla en el volumen del espacio entre los sólidos. El espesor promedio de la película en una conjunción de este tipo es menor a una micra pero mayor a 0.01 micras. Es importante reconocer que la transición de la lubricación hidrodinámica a la mixta no ocurre instantáneamente a medida que la severidad de la carga se incrementa, sino que las presiones dentro del fluido que llena el espacio entre los sólidos opuestos soportan una proporción decreciente de la carga. A medida que ésta se incrementa, la mayor parte la soporta la presión de contacto entre las asperezas de los sólidos. Además el régimen de lubricación para superficies concordantes va directamente de la lubricación hidrodinámica a la mixta.

1.10 El parámetro de película Cuando los elementos se diseñan de forma adecuada y se lubrican por medio de una película fluida, como el caso de cojinetes o chumaceras, de lo engranajes, de los cojinetes hidrodinámicos y de empuje, y de los sellos, las superficies lubricadas se encuentran completamente separadas por una película

lubricante. Por ejemplo, los ensayos de fatiga, como se han reportado por Tallian y otros en 1967, han demostrado que cuando la película lubricante es suficientemente gruesa para separar los cuerpos en contacto, la vida a la fatiga de los cojinetes se prolonga considerablemente. De manera inversa, cuando la película no es suficientemente gruesa para proporcionar una separación completa entre las asperezas existentes en la zona de contacto, la vida de los cojinetes se afecta de manera adversa por los altos esfuerzos cortantes que resultan del contacto directo entre metales. Aquí se estudiara el parámetro de película y se describirá su rango de valores para los tres regímenes de lubricación. La relación entre el parámetro de película adimensional ? y el espesor mínimo de película hmin, es

? = hmin Ec. 2 (Ra ^ 2+ Rb ^ 2)^½ Donde

Ra = Aspereza superficial rms de la superficie a

Rb = Aspereza superficial rms de la superficie b

El parámetro de película sirve para definir los cuatro regímenes de lubricación principales. El rango para estos cuatro regímenes es:

a. Lubricación hidrodinámica, 5 = ? = 100

b. Lubricación Elastohidrodinámica 3 = ? = 100

c. Lubricación parcial o mixta, 1 = ? = 5

d. Lubricación marginal, ? = 1

Estos valores son aproximados. Las mayores diferencias en la conformidad geométrica entre las conjunciones lubricadas hidrodinámicamente y las lubricadas elastohidrodinámicamente dificultan que se puedan hacer distinciones claras.

1.11 Ejemplo 1 Datos. Los engranajes para una escavadora se fabrican vaciados en arena. La medición de la aspereza superficial tiene una línea central promedio de 18 micras. Esta alta aspereza superficial hace que los engranajes se desgasten rápidamente. El espesor de la película para los engranes lubricados con grasa se determinó igual que 1.6 micras. Hallar. Como se deberán maquinar los engranes vaciados en arena para que se obtenga un parámetro de película igual a 1? Solución. Usando la Ec.2 y asumiendo que las asperezas son iguales en las dos superficies, tenemos ? = hmin o Ra = hmin = 1.6 = 1.131 µm Ra v2 ? v2 1 v2 De la tabla 1 se tiene que para una aspereza superficial de 1 micra el rectificado constituye el método mas rápido y económico de lograr tales acabados superficiales. Tabla 1. Promedio aritmético normal de la aspereza de la superficie para varios procesos y componentes de maquinas (BJ Hamrock, Fundamentals of Fluid Film Lubrication, 1991)

Es posible manufacturar superficies mas uniformes por medio del rectificado, pulido y lapidado, pero necesariamente son procesos más costosos. 1.12 Curva de Stribeck y Beerbower Entre 1900 y 1902 Stribeck realiza experimentos sistemáticos para medir f en cojinetes en función de la velocidad de giro -N-, de la carga por unidad de área proyectada -P- y de la viscosidad. Son la base de la teoría de Sommerfeld. La curva de Stribeck -aunque hay algunas dudas de que Stribeck la usara exactamente en la forma que se presenta aquí- representa las características generales de superficies lubricadas en movimiento relativo entre sí. La expresión

µP N

es conocida como el número de Sommerfeld. En la Fig 1.4 se mantienen constantes N y P para representar la relación existente entre la viscosidad del fluido,µ, y el coeficiente de rozamiento, f. La curva de Stribeck puede dividirse en tres zonas

Zona I: lubricación hidrodinámica y elastohidrodinámica. Las superficies del cojinete están perfectamente separadas con un película gruesa de fluido: no hay contacto directo entre las superficies que deslizan y por tanto prácticamente no hay desgaste. A medida que la viscosidad disminuye, decrece la película hasta el punto C

Zona II: lubricación mixta o elastohidrodinámica parcial. Es una transición entre la lubricación hidrodinámica y la marginal, generalmente observada en el arranque o en la parada de maquinaria.

Zona III: lubricación marginal. Donde toda la lubricación depende de los aditivos del lubricante que esta inmóvil o con un despliegue de velocidad casi nula.

Fig. 8 Efecto de la viscosidad en la lubricación De la Fig. 8 se puede deducir:

Estando en la zona I, a medida que la viscosidad disminuye también decrece el espesor de la película hasta el punto C. Una mayor disminución de la viscosidad hace que pasemos al punto B en el que se produce contacto ocasional entre las dos superficies debido a que la película es de muy pequeño espesor: el rozamiento en B y C es prácticamente igual, aunque en B la viscosidad del fluido es menor la resistencia al desplazamiento se debe en este caso al contacto entre las asperezas.

Fig. 9 Coeficiente de fricción, espesor de película de aceite y desgaste según el tipo de lubricación

1. En la Fig. 10 tenemos los efectos de la reducción de viscosidad del lubricante y su comportamiento con la perdida de potencia.

Fig. 10 a) Efecto de la reducción de la viscosidad del aceite b) Efecto de la reducción de la viscosidad del aceite en EHD, comportamiento lubricación mixta 1.13 Calculo del tipo de película lubricante Siempre que se vaya a llevar a cabo un programa de ahorro de energía es necesario conocer bajo que condiciones de lubricación (fluida ó EHL) trabajan los elementos del equipo rotativo al cual se le va a hacer el estudio. A nivel práctico, se considera que un mecanismo trabaja bajo condiciones de película fluida, si el fabricante del equipo no recomienda para su lubricación, lubricantes con aditivos EP y EHL si los recomienda. En caso tal de que no se conozcan las recomendaciones del fabricante, es necesario calcular el tipo de película lubricante mediante la utilización de los métodos de cálculo existentes para este propósito.

1.13.1 Cálculo del consumo de energía por fricción (CEf) Las siguientes ecuaciones se pueden utilizar para calcular el consumo de energía en diferentes tipos de mecanismos:

Rodamientos: CEf = 5,14x10-6 f Wdn, Kw Ec.1

Donde:

CEf: consumo de energía, Kw.

f: coeficiente de fricción del lubricante, adimensional.

W: carga, Kgf.

d: diámetro interior del rodamiento, cm.

n: velocidad, rpm.

Cojinetes lisos:

CEf = 0,03077 fWdn , Kw Ec.2

Donde:

CEf: consumo de energía, Kw.

f: coeficiente de fricción del lubricante, adimensional.

W: carga , Kgf.

d: diámetro del eje, m.

n: velocidad del eje, rps.

Reductores de velocidad:

CEf = 0,7357P(1 - et), KW Ec.3

Donde:

P: Potencia, CV

et : eficiencia total de la transmisión, adimensional.

La et se calcula de: et = e1-2 x e3-4 x .... x ee1 x ee2 x ee3 x .... x ea1 x ea2 x .... x en.

Donde:

- e1-2 , e3-4 , ... etc.: eficiencia del par de engranajes 1-2 , 3-4 , .... , etc.

- ee1 , ee2, ee3, ....... , etc: eficiencia promedio de los rodamientos (ó de los cojinetes lisos) 1 y 2, 3 y 4, 5 y 6,...etc, montados en los ejes 1,2,3, ... etc, y se calcula en cada eje de la suma promedio de las eficiencias de cada rodamiento (ó cojinete liso).

- ea1, ea2, ... , etc.: eficiencia equivalente del aceite salpicado (ó que circula) por los engranajes 2,4, ..., etc, que se sumergen parcialmente dentro del aceite. El valor de f para aceite salpicado ó circulado aparece en la Nota (3) de la Tabla No1.

- en: eficiencia de otros elementos montados en el reductor de velocidad. La eficiencia e es igual a: e = 1 – f; donde f es el coeficiente de fricción que depende del tipo de película lubricante, ó sea si es fluida ó EHL, y se obtienen de la Tabla No1.

Tabla 1. Valores típicos de coeficientes de fricción de acuerdo con el tipo de lubricación 4.1 Antecedentes Los motores del gas natural son extraordinarios. Ellos operan en una variedad de excepcionales ubicaciones, desde los climas muy fríos del ártico hasta las regiones calientes y húmedas de los trópicos meridionales y más allá. Los motores a gas natural son de varios diseños, incluyendo el motor Caterpillar® vertical en línea en V y el de cuatro tiempos, el de dos tiempos Cooper Bessemer en V integral con un compresor reciprocante horizontalmente opuesto y el de carter doble verticalmente opuesto, o el motor de dos tiempos construido por Fairbanks Morse. Estos motores se requieren para quemar una variedad de gases incluyendo, pero no necesariamente limitado a gas agrio con conteniendo azufre, gas dulce sin contenido de azufre y muy poco dióxido de carbono; gas húmedo conteniendo relativamente altas cantidades de gases de componente tales como butano; y finalmente gas sucio o gas de tanques digestores, compuestos principalmente de metano y dióxido de carbono el cual contiene con frecuencia halógenos tales como el flúor y el cloro. Además, en la mayoría de las jurisdicciones donde estos motores operan, las emisiones del escape han llegado a ser un grave inconveniente. Para controlar o eliminar estas emisiones, parte de los diseños

actuales de motor requieren los convertidores catalíticos, que limitan el tipo de aditivos y el porcentaje de formulaciones que pueden ser utilizados en los lubricantes. Estos lubricantes varían con el diseño de motor y las condiciones y la gama de operación de aceites desde minerales sencillos a medianos y altos en ceniza, aceites con detergentes alcalinos e inhibidos a la oxidación, a totalmente con ceniza, y aún altamente detergentes. Los motores a Gas (NGE “Natural Gas Engines”) se utilizan comúnmente para accionar compresores a gas natural, generadores estacionarios en stanby, bombas para irrigación y contra el fuego, también se utilizan cada vez más accionar cogeneración primaria en centrales de energía eléctricas. El principal ventaja del motor a Gas Natural sobre el motor a diesel es el bajo contenido de emisiones de monóxido de nitrógeno (NOx) y monóxido de carbono (COx) en el escape, residuos al aire y en algunos casos bajos costos de operación por este combustible. Los motores a gas natural están disponibles en varias configuraciones y tamaños, por ejemplo citamos:

Diseños de dos o tres tiempos

Desde menores a 100 HPs de potencia hasta los 16,000 HPs (los de 800 a 1,500 HPs son los más comunes).

De uno a 20 cilindros de potencia.

Capacidad de sumidero de 14 a 6,000 litros (de 300 a 800 litros son los mas comunes).

Las velocidades del motor van desde 300 RPM (unidades de velocidad baja) a 2,000 RPM en unidades de alta velocidad. La mayoría operan a 1,200 RPM.

El largo de los pistones va desde 572 mm en unidades de baja velocidad con carreras de 89 a 240 mm, comunes en unidades de alta velocidad.

La toma de aire puede ser de aspiración natural o turboalimentada (dos tercios de los motores nuevos son turboalimentados).

Las unidades de motor y compresor pueden estar separadas, esto es unidas punta a punta en el cigüeñal por un acoplamiento, o integral, en la que el motor y el compresor tienen un solo cárter común.

El combustible típicamente utilizado en estos motores es dulce, gas natural seco (mas del 85% es metano). En algunos casos, en los campos de la producción de gas, contiene sulfuro de hidrogeno (H2S) (arriba de 8,000 ppm), el dióxido de carbono (CO2) y el nitrógeno (N). Hay también un aumento en el uso de digestores de gas reunidos de sistemas de agua residual y gas sucio que es utilizado como combustible. De éstos son muchos combustibles de mala calidad con el contenido más bajo de metano (el 50 por ciento) y pueden contener tanto como 5 por ciento de compuestos de sílice base así como fluoruros, los cloruros, el cobre, el estaño, el hierro, sulfuro de hidrógeno y hasta el 50 por ciento de CO2. Los combustibles con el contenido bajo de energía, tienen una naturaleza corrosiva alta o abrasiva (debe ser prefiltrada a menos de 0.5 micrones) sino afectará el desempeño de motor. Los aceites de motores a gas (NGEOs) usan en estos motores una formulación especial que difiere del aceite de motor a gasolina y a diesel. Esto porque los motores a gas natural tienen las siguientes ventajas:

Quema limpia, sin contaminación de hollín en el aceite del cárter del motor. Esto requiere menos detergencia/dispersancia y permite a estos lubricantes ser formulados con menos contenidos de ceniza.

Quema de combustible gaseoso. Por lo tanto, no hay dilución del combustible y previene el incremento de la viscosidad del aceite que es mas importante.

Quema más caliente (165ºC a 235ºC la temperatura más alta del escape) que el diesel. Por lo tanto, la oxidación y la nitración del aceite se incrementan asi como el desgaste de válvulas.

Opera a velocidad constante. Nos deja tener un régimen permanente en la operación.

No se tienen especificaciones mínimas del API para los NGEOs como es común con los aceites para motores a Gasolina y Diesel (por ejemplo CI-4 o SL). Algunos fabricantes de equipos se refieren al viejo API SAE CC o CD de aceite de motor diesel para establecer el mínimo desempeño requerido, pero el uso de las especificaciones de motores a diesel para clasificar los motores a gas es cuestionado por muchas personas. Varios fabricantes de motores han desarrollado sus propias pruebas para motor a gas, pero para la mayor parte el desempeño es aun medido por la prueba de campo. La aplicación de cogeneración de Dresser Rand y Waukesha® tienen las únicas listas publicadas de aceites que están aprobados por ellos. Ha habido una discusión extensa acerca de las designaciones de desempeño del API NGEO desde finales de la década de los ochentas y solo limitada por el progreso hecho. Por lo tanto, en este momento, el usuario de aceite de motor de gas natural debe depender de la integridad de su proveedor de aceite para proporcionarle una buena calidad, un aceite verdadero de motor a gas natural y no un aceite de motor a diesel remarcado.

Fig. 4.1 Vista general de un motor a gas

Los NGEOs están generalmente disponibles en dos grados de la viscosidad, un SAE 30 (Sociedad de Ingenieros Automotrices) y un SAE 40. El monogrado SAE 40 es muy común por su rango de trabajo. Aceites multigrados también están disponibles en un grado SAE 15W-40. Estos últimos reciben alguna aceptación en el mercado donde frecuentemente existen temperaturas bajas o donde calentadoras de cárter no están disponibles. Los Multigrados proporcionan mejor desempeño a baja temperatura en el arranque además puede ofrecer un consumo reducido de aceite (con emisiones más bajas) y la economía mejorada del combustible. Sin embargo, estos pueden ser propensos a la nitración (degradación) incrementada del aceite y no pueden ser recomendados para el uso en el gobernador por el fabricante original del equipo (OEM).

4.2 Singularidad de Motores a Gas Natural La diferencia primaria entre aceite para motor a gas natural y otros aceites de motores de combustión interna es la necesidad de resistir los varios niveles de la degradación del aceite causada por el proceso de la combustión del gas, que tiene como resultado la acumulación de óxidos de nitrógeno. Esta condición, llamada comúnmente nitración, se debe controlar regularmente si ambos, lubricante y la vida de motor quieren ser mantenidos. El contenido de ceniza sulfatada es otra consideración extraordinaria de los aceites de motor a gas natural y el significado de la ceniza sulfatada se describirá con todo detalle durante nuestra discusión de las técnicas de prueba. Para escoger apropiadamente las técnicas de control de la condición más rentable y para lograr la eficiencia máxima y una larga vida de los motores, de diseño de motor, las condiciones de operación y los lubricantes deberán ser estudiados con mucho cuidado. 4.3 Técnicas por Condición y Monitoreo Varias técnicas comunes por condición y monitoreo son aplicadas a motores de gas natural. El análisis de la compresión presión/ángulo de manivela o la curva presión-tiempo (P-T) son técnica muy comúnes. Los motores a gas natural tienen algunas variaciones en la combustión de ciclo a ciclo y midiendo las curvas P-T, el analista puede determinar tales condiciones como el consumo alto del combustible, las presiones internas desiguales, las temperaturas altas y el desbalance que causa la detonación, etc. todos los cuales pueden afectar la vida de componentes superiores de cilindro y la eficacia de la lubricación y los sistemas de control de emisiones. Un análisis de la curva presión volumen (P-V) se puede utilizar para equilibrar los cilindros, esta detecta los problemas en el tren de válvulas y determina las pérdidas por fricción, por comparación de la potencia del motor a la potencia del compresor. Además, analizando las pautas en la vibración pueden proporcionar al analista una comprensión de ciertas condiciones mecánicas, tal como válvulas quemadas o escape de gas por empaquetadura, etc. Quizás la técnica más efectiva y económica actual para el control de la condición de motores a gas natural es el análisis de lubricantes. Desafortunadamente, muchos operarios de estos motores a gas natural toman el lubricante como dado y no consideran que el aceite de motor como otro componente de la máquina, que debe ser monitoreado como cualquier otro sistema dentro del motor. Las pruebas del análisis del aceite que se deben considerar como parte de un mantenimiento predictivo regularmente planificado y el programa de monitoreo por condición para motores de gas natural incluyen lo siguiente:

Viscosidad

Numero Base BN

Numero Ácido AN

Contaminación por Glycol

Contaminación por Agua

Insolubles

Análisis Espectro químico

Nitración / Oxidación

Cada una de estas pruebas y recomendaciones tienen su significado y se describen con todo detalle a continuación:

4.4 La Viscosidad La base del aceite que se usara es de mucha importancia para el desempeño del mismo en el tiempo, recordemos que una base antigua nos proporcionara mayor estabilidad a la oxidación y menos evaporación. Mientras que una base joven por más aditivos que contenga tendrá mayor volatilidad y menor estabilidad a la oxidación en el tiempo. Sin embargo es necesario usar aditivos para mejorar el desempeño de ciertas propiedades . El caso de los aditivos que contribuirán a la formación de ceniza en la cámara de combustión por ejemplo y que ayudara a prevenir lo que se conoce como recesión de válvulas o sea hablamos de un desgaste prematuro. La ceniza cubre las superficies de contacto entre la válvula y el asiento, logrando así mantenerlas separadas y con esto reducir el desgaste, pero sin impedir la transferencia de calor. El aceite ayuda a enfriar los componentes del motor con los que éste entra en contacto. Por lo tanto, debe mantener su estabilidad térmica y su viscosidad cuando se calienta a las temperaturas normales de trabajo. A continuación observamos las temperaturas que son recomendadas:

paraWaukesha® la temperatura ideal esta entre 82ºC a 85ºC

para Caterpillar® la temperatura ideal esta entre 88ºC a 93ºC

La viscosidad se debe medir utilizando el método estándar ASTM D445 para medir la viscosidad a 40°C y 100°C. Los resultados son reportados en centistokes, entonces pueden ser comparados con las especificaciones de la viscosidad del aceite nuevo. El significado de estos resultados puede indicar condiciones tales como que el aceite se espeso (un indicador de la oxidación o nitración), niveles incrementados de la contaminación y/o un aumento en los insolubles. El aceite también mantendrá limpio al motor a través de sus aditivos detergentes, lo cuales se verán a detalle mas adelante. Las características dispersantes del aceite permitirán que los sólidos y la suciedad se mantengan en suspensión para que los filtros los puedan remover o sean desechados al realizar en cambio de aceite. Una reducción en la viscosidad puede indicar la dilución del aceite y en el caso de lubricantes de multigrado puede indicar caída del índice de la viscosidad. 4.5 El Número Base o BN (Base Number) El número base (BN) es una indicación de la reserva alcalina en un aceite de motor. Es un indicador del nivel del detergente/dispersante y de su habilidad para contrarrestar los ácidos. La prueba estándar es la ASTM D2896 proporciona un indicador exacto del BN, estos resultados pueden ser comparados con el BN del aceite nuevo. Esta prueba indica el agotamiento de aditivos y la regla genérica es que cuando el aceite ha alcanzado el fin de su vida útil el valor del BN se ha reducido al 30% de la especificación del aceite nuevo. El Número base BN esta generalmente acompañado por un incremento en la viscosidad. El BN se utiliza pocas veces como una prueba para aceites de motor a gas natural a menos que la aplicación opere bajo condiciones de presencia alta de H2S. Sin embargo es muy recomendable usarla aunque este no será un análisis estándar y tendrá un costo adicional. Porque la mayoría de los aceites de motores de gas natural son formulados como bajo a medio contenido de ceniza, el número base BN estará generalmente en una gama de tres a siete. Estos niveles

no pueden ser suficientes para proteger motores que utilizan los tradicionales como el diesel o la gasolina. BN es también una prueba importante de análisis de aceite cuando el combustible en uso contiene niveles altos de azufre y/o halógenos orgánicos, tal como cloro o flúor. Cuándo existe alto contenido de azufre agrio o gas sucio en uso, el aceite típico para gas natural disponible quizá no pueda proteger suficientemente el motor de los compuestos ácidos. En estos casos, el operario de motor puede necesitar acortar los drenajes de aceite, o escoger un aceite con un BN más alto, que proporcionará un nivel más alto de alcalinidad. Los problemas potenciales de la lubricación causados por el uso de estas clases del combustible se deben discutir entre el fabricante de motor y el suministrador del lubricante. 4.6 Número Ácido o AN (Acid Number) Los compuestos de cloro y azufre que se encuentran en ciertos combustibles como el gas natural forman ácidos en presencia del aceite, estos ácidos son sumamente corrosivos para las partes interiores del motor. Pueden provocar corrosiones que luego degeneran en fallas catastróficas ni no se toman a tiempo medidas proactivas. Puesto que los ácidos sólo son solubles en soluciones acuosas, no es posible realizar un análisis de pH en el aceite para medir la acidez. Los laboratorios usan la prueba conocida como AN (ver tablas 2 y 3). Cuanto más grande este número la presencia de ácidos será mayor así como el deterioro para la máquina. Los compuestos de azufre y cloro en el gas son las causas comunes para que aumente el AN en el aceite. Sin embargo el AN solo aumenta una vez que la reserva alcalina o BN se ha agotado. Otro causa probable para el aumento del AN es la formación acelerada de la oxidación y nitración, procesos que veremos en los siguientes capítulos. El número ácido (AN) es una indicación de niveles incrementados de acidez en el aceite de motor a gas natural, con frecuencia acompañado de aumentos de viscosidad. Las pruebas de AN a menudo se utilizan para establecer intervalos óptimos de cambio de aceite para muchos tipos de aceites industriales, particularmente los utilizados en motores a gas natural. Alto AN es un indicador de nitración, oxidación y contaminación. La prueba ASTM D664 es la utilizada para realizar este análisis y la regla para esta aplicación es que cuando el AN dobla la del valor nuevo de aceite, el aceite esta cerca de su límite que condenación. Como regla general el valor del AN para un aceite nuevo es de 1. 4.7 La Contaminación por Glycol La prueba para fugas de glycol de acuerdo con ASTM D2982 debe formar parte de cualquier programa del análisis de aceite. Cualquier cantidad de glycol en el análisis puede indicar una fuga de líquido refrigerante en el motor y causar una falla catastrófica por la formación de ácidos corrosivos, lodo y barniz que se forman rápidamente, también causarán una reducción en la película de lubricación, y puede aumentar repentinamente el desgaste. Los aditivos singulares para este fluido son, el Sodio, el Boro y el Potasio. Si son detectados por el análisis de aceite será síntoma de fuga del sistema de enfriamiento. Si también se detecta contenidos de agua será evidencia de de una fuga severa en el sistema. Pero el agua no siempre aparece en el reporte de laboratorio. El agua se puede evaporar o simplemente no estar presente en la mezcla porque el agua y el aceite no se han emulsificado. Será obligatorio una vez detectados realizar la inspección de los cojinetes para asegurarse que el refrigerante (glycol) no haya dañado a los cojinetes ni al cigüeñal.

Cuando una muestra presenta este tipo de contaminación, siempre se debe vaciar el aceite del motor y desechar el aceite en uso, así como sus filtros. 4.8 La contaminación por Agua La contaminación por agua, que puede ser un problema en aceites de motor a gas natural, especialmente en esos motores que exhiben altas tasas de flujo y turbulencia, se debe determinar utilizando ASTM D1744 o la D93. Los sistemas pueden experimentar problemas de espuma con tan poco como 100 ppm a 300 ppm de agua. Esto es de particular importancia en motores donde las temperaturas del aceite son demasiado bajas. La evaporación no puede ocurrir y la baja que temperaturas a la que opera el aceite crea las condiciones necesarias para desarrollar la nitración. Esto es la razón “principal” de que los fabricantes de motor de gas natural recomiendan que sus motores corran con temperaturas de aceite en una gama de 180°F a 185°F (82°C a 85°C). Cuándo la temperatura del aceite de motor opera a una temperatura desconocida, por ejemplo 120°F (49°C) esta debe ser añadida a la temperatura del ambiente para obtener la temperatura estimada del cárter de aceite. La temperatura resultante del aceite entonces debe ser confirmada con el fabricante del motor o su tabla para determinar si es esta es aceptable 4.9 Contaminación por Silicio Está presente en suspensión como polvo en el aire. En caso de encontrar este elemento en el reporte de análisis de aceite por lo general significa que el polvo del aire esta ingresando y contaminando el aceite. Puede ser resultado de una empaquetadura que no está sellando bien en el filtro de aire o en el múltiple de admisión. Otra opción de su existencia en el análisis puede ser que si la presión negativa (vacío) en el cárter es muy alta, en otras palabras se esta chupando aire sin filtrar al interior del motor. El silicio también puede aparecer en los análisis debido a un tipo de compuestos denominados “silógenos“ (siloxanes en inglés), comunes en los gases de digestores o gases sucios. Estos provienen de una variedad de fuentes como los detergentes, cosméticos y la industria de la pintura. Los silógenos generalmente no se pueden separar del gas. Cuando el combustible contiene silógenos, estos forman durante la combustión un tipo de silicio que no es abrasivo pero que aparecerá en el análisis de aceite. Si se detectan altos niveles de silicio, se debe verificar si están acompañados del desgaste de metales. Si no se encuentran estos metales, entonces es muy probable que ese silicio sea derivado de los silógenos Sin embargo si se encuentran altos niveles de metales de desgaste, el silicio será abrasivo y será la fuente de contaminación del aceite. Por tanto es fundamental encontrar y eliminar la causa. 4.10 Insolubles Insolubles son los contaminantes sólidos que se quedan en el aceite, tal como polvo, las partículas de tierra y carbón, para llevar además metales que no se han quitado por filtración. Cuándo los insolubles están presentes, especialmente en cantidades grandes, ellos pueden promover la espuma y aumentar generalmente la viscosidad del aceite. Además, algunos motores de gas natural que operan en una condición de desbalance engendrarán hollín debido a la combustión incompleta.

Es importante que estos contaminantes insolubles sean monitoreados y controlados y que ellos sean medidos por técnicas tales como la precipitación, centrifugación, gravimetría o métodos de conteo de partículas. Tal técnica, que se realiza de acuerdo con ASTM D4055, mide insolubles por filtrado en una cantidad de aceite diluido con pentano a través de un filtro de 0.8 micras y entonces pesando el depósito restante el filtro se seca. El depósito se puede ver también bajo un microscopio y un experimentado analista u operario de motor puede evaluar las partículas para acción adicional futura (proactividad). Un resultado de esta prueba es la determinación que el sistema de lubricación por si mismo (depósitos, carcasas de filtro, tuberías y tanques de asentamiento) puede requerir limpiado y soplado. 4.11 El Análisis Espectro químico El análisis espectro químico mide los niveles de desgaste de metales y la concentración de aditivos. Los resultados, generalmente informado en partes por millón (ppm), proporciona una indicación de las tasas de desgaste de los componentes de motor y el agotamiento de aditivos. Tres cosas deben ser tenidas presente cuando se interpreta el análisis espectro químico. Primero, las partículas de desgaste analizadas son limitadas generalmente de 5 a 6 micras. (Esas partículas que son el resultado de desgaste, pero no son la causa de este). En segundo lugar, las tendencias de la tasa de desgaste se establecen mejor después de la interpretación de por lo menos tres muestras de aceite tomadas en el mismo intervalo de muestreo; en otras palabras, en tres intervalos semejantes del cambio de aceite, o si el aceite no ha sido cambiado, en el mismo periodo de operación, tales como 500 horas. Finalmente, es un error asumir que cada motor de la misma marca y modelo exhibirá el mismo nivel de desgaste o tendencia. Cada motor exhibirá su propia tasa de desgaste o “impresión dactilar” y mantener un exacto y completo control de registro y es esencial si los datos llegaran a ser útiles para evaluar la condición de motor. 4.12 La Ceniza Sulfatada Ninguna discusión del análisis elemental de aceites de motor a gas natural es completa sin un comentario respecto al asunto del contenido de ceniza sulfatada. La operación del motor a gas natural tiende a formar varios depósitos tales como barniz, lodo y un residuo de ceniza que se queda después que el aceite se quema durante la operación. El barniz y el lodo son controlados por los aditivos detergentes/dispersantes, sin embargo estos aditivos detergentes/dispersantes tienden a dejar un residuo gris y velloso de ceniza después que el aceite se ha quemado. Este residuo de la ceniza es un compuesto de sulfatos de metales tales como el bario, el calcio, el fósforo, el zinc, el magnesio y el boro. En la tabla 1 se observa los tipos de aceites y sus contenidos de ceniza respectiva.

Tabla 4.1. Categorías de aceites y sus contenidos de cenizas

High Ash, con un alto nivel de ceniza, estos niveles pueden llegar hasta 3%. Como ejemplo comentamos que Waukesha® considera demasiado este nivel. Por ejemplo, si el combustible contiene H2S o sulfuro de hidrogeno, el nivel alto de ceniza ayudara a neutralizar los ácidos que se formen contra este componente del gas. Sin duda un análisis de aceite ayudara a determinar si este es el aceite requerido.

Médium Ash, ceniza media entre 0.5 y 1.5%, gran parte de los fabricantes especifican este tipo de lubricante.

Low Ash, con bajo contenido de ceniza entre 0.1 y 1.5%, recomendado para motores de aspiración natural o que estén equipados con convertidor catalítico.

Ashless, con un contenido menor al 0.1% de ceniza, también conocido como sin ceniza, Waukesha® ni CAT® no recomiendan este tipo de lubricante, el uso de este puede ocasionar desgaste excesivo de camisas y anillos así como recesión acelerada de válvulas.

Por lo tanto, los formuladores de los lubricantes deben asegurar que estas concentraciones de aditivos son suficientemente altas para ayudar a prevenir la recesión de válvulas, pero no tan altas como para causar depósitos no deseados y perjudiciales que puedan llegar a ser ineficaces. tas respectivas).