Un caso real de vida útil remanente de turbinas de vapor a través del análisis del aceite Ana Aranzabe, José Ignacio Ciria
1. INTRODUCCIÓN Durante los últimos 30 años se ha producido un aumento considerable en el interés por realizar un seguimiento de las condiciones en servicio de los aceites de turbina. Este cambio de mentalidad se debe principalmente a las necesidades de aumentar la vida en servicio del aceite, es decir, la vida útil de dicho aceite de manera que no se retire antes de un determinado periodo de tiempo, pero si antes de que provoque un fallo en la máquina. Además se debe tener en cuenta el alto coste que provoca el cambio del aceite y los problemas medioambientales que conlleva. Debido a que hoy en día se han aumentado la potencia de las turbinas (aumento de la capacidad de aceite, temperatura y presión), se ha tenido que aumentar la calidad del aceite de las turbinas. En servicio, los aceites de turbina deben mantener sus especificaciones a lo largo de un amplio periodo de tiempo para proteger a la máquina contra los posibles fallos. Para asegurar el continuo funcionamiento de la máquina, el aceite debe mantener unas buenas propiedades, es decir, estabilidad a la oxidación, propiedades anticorrosión, estar libre de fangos y barnices, una mínima concentración de partículas, etc. Los aceites de turbina actuales están normalmente formulados con aceites base parafínicos con índices de viscosidad altos y bajos contenidos en azufre. Además, deben poseer unas excelentes propiedades contra la oxidación, desemulsionabilidad y características de desaireación y antiespumantes. 2. PROPIEDADES DE LOS ACEITES DE TURBINA: ADITIVACIÓN Los aceites para turbinas deben satisfacer las siguientes funciones: 1. Lubricar los cojinetes de la turbina-generador y reductor si los hubiere. 2. Eficiente enfriamiento de los mismos. 3. Lubricar el regulador y transmitir sus impulsos, así como los mecanismos de control. 4. Evitar la formación de herrumbre y barros en los sistemas de lubricación. Para poder cumplir estas funciones, deben presentar una serie de propiedades: 1. Poseer una viscosidad adecuada. Depende del tipo de turbina, si son pequeños grupos con cojinetes de anillos, grandes turbinas o turbinas marinas con reductor de engranajes. 2. Alta capacidad de separación de agua. Buena desemulsionabilidad. Es frecuente en este tipo de turbinas que se produzca una emulsión de agua en aceite. La presencia de agua puede deberse a condensaciones, fugas... 3. No ser corrosivo y prevenir la formación de herrumbre. Aunque ambos efectos se producen sobre los componentes metálicos, son dos acciones bien diferenciadas. La corrosión es una reacción química provocada por los productos de la oxidación presentes en el aceite que pueden ser corrosivos frente a ciertos metales. La herrumbre es una reacción provocada por la presencia de agua y aire sobre el hierro y el acero. 1
4. Estabilidad a la oxidación. Los aceites, mezclas de hidrocarburos, se oxidan al ser sometidos a altas temperaturas o al estar en contacto con el aire, dando lugar a la formación de ácidos y compuestos de oxidación que pueden ser corrosivos y fomentar la formación de depósitos dando lugar al bloqueo de válvulas y circuitos y provocan un mal funcionamiento de los equipos. Esta reacción se acelera al aumentar la temperatura del aceite. Además muchos materiales actúan como catalizadores de la reacción. El cobre, procedente del desgaste de rodamientos, tuberías y refrigerantes; compuestos ferrosos formados por la acción del agua y de algunos compuestos oxidados del aceite; materias extrañas suspendidas en el aceite y otros productos de oxidación, son catalizadores muy activos del proceso de oxidación. 5. Ser resistente a la formación de espumas. Las espumas varían las propiedades de los lubricantes y favorecen la oxidación de los mismos debido al continuo contacto con el aire. 6. Alta capacidad de separación de aire. Desaireación. Es frecuente en este tipo de aceites que el aire quede retenido en el mismo y provoque daños en las bombas y los rodamientos. Es esencial que el aire se elimine rápidamente del aceite y que el diseño del sistema evite la formación de emulsiones aceite/aire. 7. Ser estable al almacenamiento durante largos periodos de tiempo. Teniendo en cuenta la larga duración de estos aceites es importante que sean estables y mantengan sus propiedades durante largos periodos de tiempo. 3. VIDA ÚTIL DE UN ACEITE DE TURBINA El factor fundamental que afecta a la vida del aceite de turbina es el intercambio de calor entre los mecanismos lubricados y el aceite lubricante. Por ello, la estabilidad a la oxidación es el aspecto más crítico para un aceite de turbina. La vida útil de un aceite, o vida remanente, es el periodo de tiempo de funcionamiento del aceite en máquina hasta que los antioxidantes se consumen, produciendo grandes cambios en las propiedades físicas y químicas del aceite base debido a la oxidación. La vida útil del aceite está relacionada con la estabilidad a la oxidación del mismo y consecuentemente con la capacidad antioxidante que todavía posee. Esta capacidad antioxidante está claramente relacionada con el grado de deterioro que ya ha sufrido el lubricante, por lo que determinar e identificar los productos de oxidación que presenta también nos permite estimar su tiempo de vida útil. Si un aceite sobrepasa este límite de vida útil, puede producirse una excesiva degradación del aceite base, resultando un desgaste de los componentes y un eventual mal funcionamiento de la máquina. La vida útil de un aceite de turbina debería estar en torno a los 10-20 años. Para ello deben ser capaces de conservar sus características originales para poder durar todo este tiempo. Esto solo se puede conseguir manteniendo el aceite con una alta estabilidad a la oxidación. 2
4. ESTUDIO DE LA DEGRADACIÓN DE UN ACEITE DE TURBINA Para conocer el proceso de degradación de los lubricantes se estudió en el laboratorio como se degradan los mismos. Los factores que más afectan a la vida en servicio de un aceite de turbina de vapor son las condiciones normales de funcionamiento del sistema, fugas de aire, elevada temperatura, compatibilidad del aceite con el material con el cual está hecho el sistema, contaminación por agua (con los consiguientes procesos de hidrólisis) debido a la inevitable condensación de vapor, contaminación, pérdida de inhibidores de corrosión, etc. Durante la degradación oxidativa y térmica a elevadas temperaturas, los hidrocarburos están sujetos al craqueo térmico, como consecuencia se forman compuestos inestables debidos a cambios químicos. El problema del deterioro del aceite se debe a una degradación prematura del mismo por deterioro de los inhibidores de la oxidación y por la reacción de los metales con los productos procedentes de la descomposición de los aditivos añadidos para evitar la formación de óxidos. Estos productos, en etapas más avanzadas, son más fácilmente convertidos en resinas polimerizadas o fangos. Hoy en día, debido a la utilización de las turbinas de gran potencia y a una mayor relación carga/aceite, el proceso de degradación se tiene mucho más en cuenta. Este hecho conlleva la necesidad de utilizar aceites de alta calidad, especialmente con características de antioxidantes. En la Tabla 1 se ve un estudio comparativo entre turbinas clásicas y modernas con el correspondiente aumento en carga de aceite y potencia. DESCRIPCIÓN TURBINAS Clásicas Modernas Tamaño unidad (MW) 100-200 500-600 Relación de carga por aceite, kw/l 4-6 8-10 Capacidad de aceite, kl 10-20 50-60 Temperatura del tanque de aceite, ºC Temperatura del vapor, ºC 45-60 55-65 400-450 500-550 Presión del vapor. Kg/cm 2 40-100 150-220 Tabla 1. Descripción de turbinas clásicas y modernas 5. TÉCNICAS PARA DETERMINAR EL ESTADO DE OXIDACIÓN DE UN ACEITE Desde hace años se lleva realizando un seguimiento a las diferentes turbinas mediante ensayos clásicos como TAN, Viscosidad, IR, número de precipitación, RPVOT, TOST, pérdida de masa del lubricante, medida de concentración de hidroperóxidos, etc. 3
Los principales problemas de estos ensayos es que duran mucho tiempo (TOST, RPVOT), gastan mucho disolvente (RPVOT, TOST, TAN), en algunos casos la preparación de la muestra es laboriosa (RPVOT, TOST), y además, no permiten conocer de una manera muy clara el tiempo de vida remanente del aceite. Hoy en día, para obtener un funcionamiento óptimo de la turbina y tenerlas más controladas se están desarrollando nuevas técnicas y ensayos como FTIR, HPDSC, RULER, etc. La peculiaridad de estas técnicas es que necesitan un tiempo de ensayo muy corto (FTIR ~ 2 minutos, RULER ~ 5 minutos, DSC ~ 30 minutos) y tanto el gasto de disolventes como la preparación de la muestra son mínimos. Combinada con algunos ensayos tradicionales como TAN y Viscosidad cinemática se pueden desarrollar mapas de zonas seguras e inseguras de manera que se pueda determinar esta vida útil remanente de una manera más fiable y comprensible. A continuación se muestra en la Tabla 2 un estudio comparativo de coste, manejo, tiempo de análisis, repetitividad de ensayos RPVOT HP-DSC VOLTAPEROMETRIA. CÍCLICA FTIR COSTE Instrumental 30000 42000 12000 42000 Operación ~3 ~1 ~3 ~ 0.2 MANEJO Tamaño muestra (g) 50 < 0.1 < 0.1 1 Preparación muestra Mínima Mínima Media Mínima Procedimiento analítico Requerimientos de seguridad Mínima Mínima Media Mínima Moderada Grande Mínima Mínima Tiempo de análisis > 60 min < 45 min < 5 min < 1 min Repetición análisis Si Si No No Tabla 2. Estudio comparativo de las técnicas utilizadas normalmente para determinar la estabilidad a la oxidación de los aceites Teniendo en cuenta las ventajas e inconvenientes de las técnicas anteriores, y la decisión de decidir las mejores técnicas analíticas para realizar las mejores evaluaciones de rutina de la Vida Remanente Útil de un aceite de turbina, se deben considerar numerosos factores: número de muestras por día, pericia del operador, coste del equipamiento, tiempo, etc. Sin embargo, la manera más eficaz de determinar la Vida Remanente Útil de un aceite es mediante la combinación de varias técnicas. 4
6. ANÁLISIS DE LA VIDA REMANENTE DE UN ACEITE El proceso de análisis de la vida remanente comienza con la realización de unos ensayos de estabilidad a la oxidación de larga duración, mediante el ensayo (TOST), produciendo así el envejecimiento del aceite. Periódicamente se toman unas alícuotas de la muestra y se analiza la cantidad de antioxidante residual y los productos de oxidación mediante FTIR, HP- DSC, TAN y, viscosidad. Para ello se ha elegido un lubricante de turbina ISO 32, Grupo I, con un paquete de aditivos antioxidantes fenólico. El siguiente paso es realizar la representación de los diferentes estadios de la muestra frente al tiempo. VARIACIÓN CON EL TIEMPO DE LA BANDA DE OXIDACIÓN MEDIANTE IR ABS (%Acm-1) 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 1000 2000 3000 4000 TIEMPO (HORAS) Figura 1. Representación de la variación de la absorbancia de la banda de productos de oxidación mediante FTIR vs. tiempo (horas de TOST) 5
VARIACIÓN CON EL TIEMPO DE LA BANDA FENÓLICA MEDIANTE IR ABS (%Acm-1) 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 1000 2000 3000 4000 TIEMPO (HORAS) Figura 2. Representación de la variación de la absorbancia de la banda de antioxidantes fenólicos mediante FTIR vs. Tiempo (horas de TOST) VARIACIÓN DEL TAN CON EL TIEMPO TAN (mg KOH/g muestra) 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 1000 2000 3000 4000 TIEMPO (HORAS) Figura 3. Representación del aumento del AN vs. Tiempo (horas de TOST) 6
VARIACIÓN DE LA VISCOSIDAD CON EL TIEMPO VISCOSIDAD (cst) 36 35,5 35 34,5 34 33,5 33 32,5 32 31,5 31 0 1000 2000 3000 4000 TIEMPO (HORAS) Figura 4. Representación del aumento de la viscosidad a 40º C vs. tiempo (horas de TOST) Variación del tiempo Onset con el tiempo Tiempo Onset (minutos) 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 1000 2000 3000 4000 Tiempo degradación (horas) Figura 5. Representación de la variación del tiempo Onset del DSC vs. Tiempo (horas de TOST) 7
A partir de los datos obtenidos se podrá desarrollar un mapa de zonas seguras/inseguras de un aceite con una formulación determinada, el cual indicará la situación en la que se encuentra un aceite real. Así, mediante la medida del DSC de la vida remanente se podrá realizar un seguimiento del estado de salud del sistema de lubricación. En la figura 6 se muestra el Mapa de Zonas en el cual se va a poder encuadrar las diferentes muestras reales para poder determinar el estado de degradación de las mismas. Figura 6. Mapa de Zonas de degradación de un aceite Se van a definir tres zonas para cada aceite en particular: - Zona 1: Zona Segura. Esta zona viene caracterizada por poseer unos valores altos de DSC, banda fenólica y valores bajos de banda oxidación, TAN y variación de la viscosidad. Se encuentra entre el 100% y 70% del valor inicial de DSC. - Zona 2: Zona de Precaución. En esta zona se aprecia como los valores de DSC comienzan a caer, observándose un cambio de pendiente en la curva de DSC. El límite se considerará del 50% del valor inicial - Zona 3. Zona Insegura. Zona en la cual los valores de DSC están entre el 50% del inicial y los valores cercanos a cero. Además, se comprueba el aumento brusco del TAN, banda de oxidación, variación de la viscosidad y una disminución muy acusada de la banda fenólica. 8
Una vez efectuado esta definición de zonas se podrá determinar el estado de las muestras reales. Para poder hacer más fácil la compresión e interpretación de los resultados a nivel de rutina se ha considerado dar unos valores límites a modo similar al del RVPOT pero con la técnica de DSC, con tres zonas en vez de dos (Pasa o No Pasa). - La Zona 1 se encuentra entre el 100%-70% del valor inicial del DSC. % Vida Útil = DSC muestra real 0.5* DSC muestra nueva * 100 0.5*DSC muestra nueva - La Zona 2 se encontraría entre el 70%-50% del valor del DSC del aceite nuevo. - La Zona 3 se encuentra entre el 50%-0% del valor del DSC de la muestra nueva 7. RESULTADOS DE LA MUESTRA REAL En la tabla 3 se muestran los resultados obtenidos para diferentes muestras de una misma turbina a lo largo del tiempo mediante diferentes técnicas: Viscosidad Cinemática 40º C (ASTM D 445) AN (ASTM D 974) RPVOT (ASTM D 2272) RULER (ASTM D 6810) DSC MUESTRA Tiempo Visc.40ºC AN RPVOT % Vida Útil RULER DSC Isotermo % Vida Útil NUEVO 0 31.60 0.10 725 100 100 47.49 100 1 17 años 32.65 0.12 111 15 17 29.98 26 2 17.5 años 32.60 0.12 84 12 8 28.76 21 3 18 años 36.04 0.11 76 10 2 31.48 33 4 18.50 años 32.86 0.10 437 60 81 41.12 78 5 19 años 33.12 0.09 390 54 72 38.63 63 6 19.50 años 32.6 0.13 376 47 57 35.82 51 7 20 años 32.86 0.10 63 9 0 32.44 37 8 20.25 años 33.06 0.09 37 5 0 24.98 1 9 20.50 años 32.73 0.13 36 5 0 23.44 0 Tabla 3. Resultados obtenidos para diferentes muestras reales mediante RPVOT; DSC y RULER 9
Se puede observar en la tabla 3 la similitud en los resultados de vida remanente obtenidos por las tres técnicas: RPVOT, RULER y DSC. Tras el análisis de la muestra 3 se refrescó. A partir de aquí se mejoraron los valores de vida remanente hasta la muestra 7 en la cual se vuelve a observar una caída en la vida remanente. Con esto se ha conseguido alargar la vida del lubricante 2 años, hasta conseguir coincidir con una parada general de la planta. 8. CONCLUSIONES Los nuevos lubricantes de turbinas fabricados con aceites base del grupo II o superior, tienen tiempos de análisis en el RPVOT superiores a los 1000 minutos y de TOST superiores a 10000 horas. Esto no lleva a pensar en técnicas analíticas alternativas que puedan sustituir a esta. De los resultados obtenidos se puede deducir que tanto la técnica del DSC como el RULER son dos herramientas útiles para el control en servicio de los aceites de turbina en sustitución del RPVOT por los siguientes motivos: Menores tiempos de análisis. Menores costes de análisis. El RULER permite conocer el tipo de aditivación antioxidante utilizada y la idoneidad de cada tipo de aditivo utilizado al observarse la velocidad de consumo de los mismos. Mediante esta combinación de técnicas se podrá controlar cada cuanto tiempo se debe adicionar antioxidantes a un aceite, o reponer parte de la carga de lubricante para alargar la vida del mismo. 10