Las turbinas son equipamiento crítico para centrales eléctricas y la industria pesada. La formación de lacas y barnices es la primera causa raíz asociada a la pérdida de actividad y confiabilidad en turbinas. La condición de oxidación de un lubricante indica su propensión a la formación de barnices y puede ser estudiada en un laboratorio con alta efectividad a través de ensayos específicos como ser RULER, Potencial de Barniz (MPC) y RPVOT. Estos ensayos guardan mucha más información que la proporcionada netamente por sus resultados numéricos. La integración de esta información permite asesorar acerca de los beneficios de realizar reacondicionamientos sobre el lubricante. La puesta en práctica del método que aquí se describe redunda en un conocimiento aumentado de la condición actual de nuestra turbina y su lubricante, de una mejora en la confiablidad de las turbinas y en el alargamiento de los períodos entre cambios de lubricante.

1. Introducción

Las turbinas son equipamiento crítico para las centrales eléctricas y la industria pesada. Son activos muy costosos que deben poder maximizar el tiempo en marcha y trabajar confiablemente en todo momento. 

En los cojinetes que soportan al eje de las turbinas la lubricación lleva un régimen hidrodinámico: la película lubricante es gruesa y separa las superficies metálicas con un huelgo de al rededor de 100µm. La presión de aceite es mantenida en conjunto por la circulación del aceite en el circuito y por la rotación propia del eje que genera una denominada cuña lubricante que separa las superficies. En estas condiciones el desgate solo sucede luego de una pobre condición del lubricante.

La primera causa raíz para la pérdida de la confiabilidad en turbinas es la formación de depósitos, principalmente barniz. Los depósitos generan varios efectos indeseados sobre estos sistemas como el pegado de servoválvulas, la obstrucción de orificios y un intercambio ineficiente de calor en los radiadores. Los depósitos pueden tener varios orígenes: inorgánicos, orgánicos, biológicos.

En el caso de las turbinas de generación o compresión, donde el lubricante sufre principalmente de estrés térmico y oxidativo, la formación de barniz es extendida. Definimos barniz como materia blanda pegajosa compuesta de antioxidantes sacrificados y aglutinados con otros productos de oxidación. Al cocinarse el barniz en superficies calientes tiende a formar lacas, sólidos macroscópicos de mayor dureza. El costo de las lacas y el barniz es muy alto, tanto por las pérdidas de producción como en el costo de los repuestos y recursos humanos durante reparaciones. Por este motivo, monitorear la condición de oxidación de los aceites de turbinas y aplicar las buenas prácticas de lubricación es de extrema importancia y provee un retorno económico.

Para prevenirse de la oxidación, los aceites de turbinas son aditivados con aproximadamente 1% de antioxidantes. Los antioxidantes se sacrifican protegiendo al aceite base de los radicales libres y la oxidación. Es comúnmente aceptado que los aceites de turbina pueden utilizarse hasta que los antioxidantes activos remanentes se reducen al 25% de su formulación original. Sin embargo en muchos casos, dependiendo del lubricante y de las condiciones operativas, se observan problemas asociados a la formación de barniz mucho antes de llegar a este punto. Tanto el ámbito académico como el industrial ha mostrado evidencias que indican que los problemas de barniz pueden suceder mismo con una vida útil remanente del aceite del 60%. 

En la gestión de una operación confiable, la condición de oxidación de las turbinas debe mantenerse dentro de entornos/zonas/regiones de seguridad. Esto implica mantener a los antioxidantes en altas concentraciones, cuidar un bajo potencial de barniz, y pronosticar una elevada resistencia a la oxidación. El refresco de los lubricantes es una opción válida para mantener las turbinas libres de barniz. Integrando las experimentos de RULER, MPC y RPVOT es posible estimar el refresco requerido para mantener a la turbina altamente operativa.

2. MPC, RPVOT y RULER son pruebas complementarias en el monitoreo de la condición de oxidación

2.1 MPC

El potencial de barniz, o colorimetría de filtro membrana, MPC por sus siglas en inglés (ASTM D7843) es un método para cuantificar la formación de depósitos. Brevemente, a través del ensayo se busca coagular el barniz de una forma reproducible a través de un calentamiento y enfriamiento estandarizado. Luego de la preparación, la muestra es filtrada a través de una membrana con poro de 0,45µm y el color resultante indica la propensión a la formación de barniz (para más información leer Málaga y Ciria, Tekniker 2008). Se considera a un MPC > 30 como condenatorio, un  MPC > 20 como alarma y un MPC < 15 como saludable. La Figura 1 muestra ejemplos de lubricantes con diferente potencial a la formación de barniz. 

Figura 1: El MPC es un método estandarizado en el que el tiempo de precipitación es crítico. Se calentó un aceite de turbina a 60 °C (140 °F) durante 24 horas y se dejó precipitar durante 72 horas, 168 horas y cuatro meses antes de filtrarlo y determinar el valor del MPC. Los resultados muestran que el MPC aumenta significativamente con tiempos de precipitación más largos.

2.2 RPVOT

El ensayo de RPVOT (oxidación en bomba rotatoria presurizada, ASTM D2272) es un simulador de oxidación. Una porción de lubricante se somete a condiciones extremas de temperatura, presión y potencial oxidativo y se registra el tiempo en que el lubricante resiste la oxidación.

La figura 2 muestra curvas de RPVOT para diferentes formulaciones de lubricantes. En el caso de bases minerales de grado I, el RPVOT se mantiene estable mientras dura la protección antioxidante. En la primera etapa del ensayo los antioxidantes se sacrifican para proteger al aceite base.

Es común observar puntos de inflexión intermedios indicando el consumo secuencial de los antioxidantes fenólicos y amínicos. Consumidos los antioxidantes, el aceite base sufre oxidación masiva y la presión decae súbitamente. Éste se denomina el período de inducción del aceite. En el caso de bases lubricantes de grado II también se observa una fase estable de protección antioxidante pero luego la presión declina de forma progresiva. Esto da cuenta de la mejora en la resistencia a la oxidación de estas bases hidrotratadas. Sin embargo esto no implica necesariamente una mejora en la formación de barniz. Al ser estas bases menos polares, el barniz generado tiende a insolubilizarse más fácilmente del aceite para generar depósitos.

Figura 2: Gráficos de presión RPVOT para diferentes aceites de turbina nuevos. Los lubricantes tienen diferentes curvas RPVOT según el aceite base y la formulación antioxidante. La prueba ASTM se diseñó para aceite del Grupo I (rojo), en el que el período de inducción estándar (•) coincide con la oxidación del aceite a granel. (Azul) muestra la curva para un lubricante base del Grupo II+ y (verde) para un lubricante a base de GTL del Grupo III+. (Amarillo) es el RPVOT para un lubricante base de poliol-éster aeroderivado. Tanto en (b) como en (d), el período de inducción estándar dista mucho de la oxidación a granel. Por esta razón, las pruebas RPVOT deben realizarse hasta una caída de presión de 90 psi.

En los últimos años se están popularizando los aceites de turbina con bases grado III GLT (gas-to-liquid). Las formulaciones actuales de este tipo muestran curvas de RPVOT con un extraordinario período de inducción, gran estabilidad durante la protección anti-oxidante y puntos finales muy agudos. La información contenida en la forma de la curva de RPVOT es valiosa para el estudio de la condición del lubricante, por lo que las curvas de RPVOT deben registrarse hasta una caída de presión mayor a la indicada por la norma ASTM, y nunca solamente ser ponderadas por su valor nominal.

2.3 RULER

El ensayo de RULER (ASTM D6971) es un método electroquímico para determinar la cantidad de antioxidantes remanentes en la muestra. Una lectura detenida sobre los amperogramas provee información adicional acerca de la salud, contaminantes y mezclas en el aceite en servicio. Al ser un método electroquímico, permite cuantificar a los antioxidantes activos en el aceite. Sin embargo cuando los antioxidantes remanentes son muy bajos, el método tiene a estimar su concentración por exceso.

Desde un punto de vista operativo esto es peligroso ya que el aceite podría entrar en una etapa de  oxidación generalizada con un falso positivo en el laboratorio. Esta limitación en la técnica se puede prevenir a través de ensayos de extrapolación, un método que se desarrolla a continuación.

Al preparar mezclas de aceite en servicio y aceite nuevo podemos definir el Refresco % de forma que un Refresco = 0% implique aceite en servicio y un Refresco = 100% implique aceite netamente nuevo:

Consideremos un caso de estudio en una turbina de gas con aceite mineral grado I, ISO VG 32 y paquete mixto de antioxidantes. La turbina a estado en operación por 43’000 hs. El RULER para esta muestra resulta en 28,3% de antioxidantes remanentes, muy cerca del límite condenatorio.

Para poder evaluar mejor el remanente antioxidante realizamos mezclas de aceite en servicio y aceite nuevo para cubrir refrescos entre 0 y 100%. La figura 3a muestra los resultados del refresco. La concentración de antioxidantes en función del Refresco % debe guardar una relación lineal. Sin embargo al graficar los resultados de RULER (fig 3b) se observa que el resultado correspondiente a la muestra pura de aceite en servicio se ubica apartada de esta relación lineal. Por extrapolación se puede determinar que el remanente  antioxidante en la muestra es sólo del 14,9%, casi la mitad del 28,3% cuantificado por el método tradicional. Este método permite discriminar a un aceite en estado cercano al condenatorio de uno en estado crítico.

3. MODELO DE CONDICIÓN DE OXIDACIÓN PARA ESTIMAR REFRESCO DE LUBRICANTE

Figura 3a

Figura 3b

RULER se puede cuantificar mediante extrapolación en muestras degradadas. El panel (a) muestra los amperogramas de muestras de refresco de un aceite de turbina del Grupo I, junto con su cuantificación. En el panel (b) se representan gráficamente los datos. La muestra original (0 % de refresco) se desvía claramente del gráfico lineal.

Tabla y Figura 4. Modelo preliminar para el refresco de aceites de turbina. El modelo preliminar se arma con los valores de MPC, RPVOT y RULER para el lubricante en servicio (0% refresco) y el lubricante nuevo (100% Refresco). El modelo permite hacer una estimación gruesa del requerimiento de refresco.

Volvamos al caso de estudio anterior. Para el análisis se requerirá de 1L de aceite en servicio y 1L de aceite fresco. Tras analizar ambos aceites se determinan las analíticas presentadas en la Tabla y Figura 4, teniendo en cuenta el verdadero remanente antioxidante para el aceite en servicio.

La condición de oxidación del aceite en servicio es pobre, y se encomienda al laboratorio un proyecto para analizar el refresco del lubricante. A partir de la información determinada se puede construir un modelo preliminar de la condición de oxidación. Para ello se grafican las analíticas en función del Refresco %.

El modelo preliminar muestra que los antioxidantes remanentes caen por debajo del 25% recomendado. En concordancia, el RPVOT de la muestra en servicio presenta un período de inducción de sólo 142 minutos, aproximadamente un 10% del valor para el aceite nuevo. Estos resultados indican que el lubricante puede fallar en el corto plazo. Finalmente el potencial de barniz presenta un MPC de 34, que excede la alarma de precaución y se encuentra cercano al límite condenatorio. La conclusión preliminar es que el lubricante está llegando al final de su ciclo. Sin embargo, si no es posible planificar un cambio total de la carga lubricante en el corto plazo, un refresco del lubricante puede contribuir a una operación confiable en el mediano plazo. 

Las condiciones del aceite que permiten una operación confiable deberían ser: 

Figura 5. Modelo refinado para el refresco de aceites de turbina. En este modelo se incluyen datos experimentales para MPC y RPVOT de mezclas de refresco simuladas en el laboratorio. El RPVOT de una muestra refinada es más alto que el predicho por el modelo lineal. La magnitud de esta diferencia se relaciona con la degradación de la base lubricante en la muestra en servicio. También el MPC de la muestra experimental de refresco es menor al predicho por el modelo lineal. Esta diferencia en cambio está relacionada con el procedimiento estándar del ensayo y no con su valor funcional.

El MPC para la muestra de refresco se ha reducido significativamente de 21, como hubiera sido esperado por el modelo lineal, a 16. Esta mejora está más relacionada a la metodología del ensayo que a una protección real al potencial de barniz

• ANTIOXIDANTES > 50%
• MPC ≈ 15
• RPVOT > 500 minutos

De acuerdo al modelo preliminar, esto puede ser alcanzado con un reemplazo del 40% del lubricante. En tal escenario, los antioxidantes aumentarían al 50%, el MPC se reduciría a 21 y el RPVOT se podría estimar en 600 minutos. Para tener mejor confianza en la predicción, se preparara una mezcla de refresco del 40% y se realizan las analíticas sobre esta muestra artificial. Con esta información se puede construir el modelo iterado de la condición de oxidación. 

En la figura 5 se observa que el valor de RPVOT para la muestra de refresco es significativamente mayor al valor linealmente esperado. La diferencia con la relación lineal esta relacionada a que el RPVOT no sólo evalúa la capacidad antioxidante como el RULER, sino también la estabilidad química de la base lubricante. Al realizar el refresco se está añadiendo moléculas frescas de base lubricante que añaden potencial protectivo a la mezcla. Adicionalmente, este resultado nos indica que el aceite base en el lubricante se encuentra con principios de degradación, que contribuirá a la formación de barniz.

4. CONCLUSIONES: PROPUESTA DE REFRESCO

Tras estudiar el modelo completo de refresco, estamos preparados para proponer la intervención sobre la turbina a través de un refresco del 40% del lubricante. Esta opción resultará en una dosificación antioxidante del 50%, un RPVOT de 850 minutos un MPC de 16. Bajo estas condiciones la turbina esta equipada para operación confiable en el mediano plazo. Sin embargo dado lo alto del MPC en el aceite en servicio, es de esperarse que se hayan generado depósitos en las superficies de la turbina que serán redisueltos con el agregado de aceite fresco elevando el valor de MPC en el corto plazo. Por este motivo es recomendable la instalación de un sistema de mitigación de barniz en simultáneo. 

En conclusión, el modelo de refresco permite analizar la condición de oxidación de la turbina en profundidad. Esto permite entender el verdadero potencial de un aceite en servicio y su performance esperada en el corto y mediano plazo, con foco en la prevención a la formación de barniz y al aumento de la confiabilidad. Finalmente el método permite proponer acciones concretas de mantenimiento: una tasa de refresco exacta y educada, con recomendaciones en mitigación de barniz. 

5. ESTRATEGIAS DE REFRESCO

A diferencia del comisionado de turbinas nuevas, los estudios de refresco aplican a maquinaria en operación donde cada caso de estudio es diferente. Las diferencias surgen en la condición actual de la turbina, en la forma de operación, en la estrategia de mantenimiento, de producción y financiera del usuario y en los servicios disponibles en cada región. 

Hay dos estrategias principales para mantener los antioxidantes en altas dosis y la condición fresca del aceite: el reemplazo parcial de aceite en servicio por aceite fresco y el re-dosificado de antioxidantes.

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 El reemplazo parcial de lubricante es la opción conservadora. Se trata de una opción mas costosa ya que se está descartando base lubricante que generalmente no se encuentra degradada, sólo por reemplazar los antioxidantes consumidos. Sin embargo es la opción más segura para reacondicionar el lubricante. Al hacer un reemplazo parcial con el mismo lubricante, no deberían surgir problemas derivados de la incompatibilidad de lubricantes. Al complementar el estudio de refresco con algunas analíticas

adicionales (consultar norma ASTM D7155) la compatibilidad se encuentra estudiada. También se trata de una operación rápida que dependiendo de la turbina y del refresco requerido puede realizarse con la turbina en marcha o con mínimo tiempo de parada. 

Aunque esta práctica pueda resultar menos económica, es aceptable para muchos usuarios y es extensivamente observada en la industria.

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La segunda posible estrategia para el reacondi-cionamiento del lubricante es la readitivación de antioxidantes. En esta estrategia, un concentrado de aditivos es lentamente dosificado al aceite de turbina con un mínimo sangrado de aceite usado. De esta forma el aceite base se conserva y los antioxidantes pueden ser re-dosificados al nivel requerido. Esta estrategia sin embargo debe ser realizada por un formulador experimentado con conocimiento íntimo acerca de la química del aceite base, los antioxidantes en el sistema y los depósitos formados en este sistema particular.

La química de los aditivos es una ciencia compleja hay interacción entre los antioxidantes, y esta interacción puede ser tanto sinergística como antagónica. La sinergia actúa reponiendo los antioxidantes amínicos en la primera línea de batalla contra la oxidación, a expensas de la reserva; los antioxidantes fenólicos. Por el otro lado, al re-dosificar el aceite debe cuidarse que los nuevos antioxidantes no interaccionen con el medio formando depósitos. Una cuestión central a tener en cuenta al realizar la práctica de re-aditivación de antioxidantes es que la concentración total de antioxidantes, sean activos o consumidos, aumenta. Sin un conocimiento fino del sistema esto puede fácilmente resultar en la precipitación de antioxidantes o en reacciones indeseadas. Por este motivo los procesos de re-aditivación suelen requerir la instalación de un sistema de mitigación de barniz de forma continua o semi-continua. 

Para alcanzar alta confiabilidad, la compatibilidad y performance tanto del concentrado como del aceite reformulado debe ser extensivamente evaluada en un laboratorio. Las pruebas deben incluir caracterización de las propiedades funcionales como tendencia a la formación de espuma, liberación de aire, demulsibilidad y pronóstico sobre el añejamiento oxidativo del aceite reformulado. Deben realizarse ensayos que desafíen al aceite reformulado a la formación de depósitos. Habiendo evaluado adecuadamente el re-acondicionamiento, la ejecución en planta de estas operaciones debe estar dirigida por técnicos acreditados. Esto implica asegurar una homogenización adecuada del concentrado, evitar precipitados y tener un plan de contingencia en caso de observarse una desviación o la formación de depósitos. 

En conclusión, la re-aditivación de antioxidantes es una mejor opción en términos económicos. Desde la perspectiva técnica, excelentes resultados han sido obtenidos en proyectos que han multiplicado la vida del lubricante. Sin embargo es una práctica que implica mayores riesgos y que es normalmente planeada y ejecutada por profesionales especializados externos.

Aunque la generación a través de turbinas de gas y de vapor esté ampliamente extendida a nivel mundial, no es posible encontrar en todas las regiones servicios adecuados de laboratorio para realizar esta evaluación, y servicios técnicos de planta para ejecutar estos proyectos. En estos casos, aunque sean sub-optimos desde el punto de vista económico, los procedimientos de reemplazo parcial de lubricante siguen siendo realizados. 

Autores

Andrés B. Lantos, Sebastián Lauría, Andrés Bodner, Gabriel Lucchiari y Esteban Lantos
Laboratorio Dr. Lantos – Wearcheck Argentina

REFERENCIAS

1. Seguimiento de la Formación de Partículas Insolubles en Aceites de Turbina de Gas. Adolfo Málaga y Jose Ignacio Ciria. Tekniker, 2008.
2. Lubricant Deposit Characterization. Dave Wooton & Greg Livingstone. Oildoc 2003
3. Akihiko Yano, Shintaro Watanabe , Yasunori Miyazaki , Mitsuyoshi Tsuchiya & Yuji Yamamoto (2004) Study on Sludge Formation during the Oxidation Process of Turbine Oils, Tribology Transactions, 47:1, 111-122
4. Turbine oil bleed & feed: An expensive option. Greg Livingstone, Turbomachinery 2014
5. -Bleed & Feed, TMI Staff, Turbomachinery 2014
6. Lubrication Excellence 2007 William Moehle, Vince Gatto, Dave Wooton and Greg Livingstone, “.Practical Approaches to Controlling Sludge and Varnish in Turbine Oils”.
7. Norfolk, VA Vincent J. Gatto,  William E. Moehle, Tyler W. Cobb,  Emily R. Schneller, “Oxidation Fundamentals and its Application To Turbine Oil Testing” – April 2006 — JAI Volume 3, Issue 4JAI13498