Optimiza La Vida Útil De Tus Motores A Gas

Claves en la lubricación y análisis de aceite

Enfatizando La Importancia De La Selección Del Aceite

La principal diferencia en la lubricación de motores a gas natural radica en la necesidad de resistir los efectos corrosivos de los óxidos de nitrógeno producidos durante la combustión. Esta condición, junto con la presencia de cenizas sulfatadas, exige una selección cuidadosa del aceite. La elección del lubricante adecuado, en combinación con un análisis exhaustivo de las condiciones de operación del motor, es fundamental para optimizar su rendimiento y prolongar su vida útil.

Los motores de gas natural se distinguen por su eficiencia y adaptabilidad. Funcionan de manera óptima en diversos entornos, desde los climas extremadamente fríos hasta las zonas cálidas. Esta capacidad de adaptación los hace ideales para una amplia gama de aplicaciones industriales y comerciales.

Existen diferentes tipos de motores de gas natural, estos motores deben ser capaces de quemar distintos tipos de gases, tales como gas “agrio”, que contiene azufre; gas “dulce”, que no tiene azufre y tiene muy poco dióxido de carbono; gas “húmedo”, que contiene niveles relativamente altos de componentes como el butano; y gas de “vertedero o digestor”, compuesto principalmente de metano y dióxido de carbono, y que frecuentemente contiene halógenos como flúor y cloro.

Además, en muchas jurisdicciones donde operan estos motores, las emisiones de escape se han convertido en un tema crucial. Para controlar o reducir estas emisiones, algunos de los diseños de motores actuales requieren el uso de convertidores catalíticos, los cuales limitan los tipos de aditivos y los porcentajes que se pueden emplear en los lubricantes.

Enfoque En La Detección Temprana De Problemas

El monitoreo de la condición de los motores a gas natural es esencial para detectar a tiempo posibles fallas.

El análisis de aceite es la herramienta más completa y económica para evaluar la salud general del motor, permitiendo detectar desgaste, contaminación y degradación del lubricante. Sin embargo, también existe otras estrategias tales como el análisis de las curvas de presión (P-T y P-V) y el análisis vibratorio permiten identificar problemas de combustión, desequilibrios y condiciones mecánicas anómalas. 

Las pruebas de análisis de aceite que deben considerarse parte de un programa de mantenimiento predictivo y control del estado de los motores a gas natural programado regularmente incluyen las siguientes:

1. Viscosidad: 

La viscosidad del aceite, medida a 40°C y 100°C según la norma ASTM D445, es un indicador clave de su condición.

• Un aumento en la viscosidad sugiere procesos de degradación como oxidación o nitración, contaminación o presencia de partículas insolubles.
• Una disminución en la viscosidad puede indicar dilución con combustible o degradación de los aditivos que mantienen la viscosidad estable a diferentes temperaturas.

2. Número Básico: 

Es una indicación de la alcalinidad de reserva contenida en un aceite de motor. Es un indicador del nivel de capacidad del paquete de aditivos detergentes / dispersantes para contrarrestar los ácidos. La prueba estándar ASTM D2896 proporciona un indicador preciso del BN, cuyos resultados se pueden comparar con el BN del aceite sin usar. Esta prueba es un indicador del agotamiento de los aditivos y la regla general es que un aceite ha llegado al final de su vida útil cuando el BN se reduce a la mitad del de la especificación del aceite nuevo. Los BN bajos suelen ir acompañados de aumentos en la viscosidad.

• El BN no se utiliza a menudo como prueba para aceites de motor a gas natural a menos que la aplicación funcione en condiciones de combustible dual (donde el motor utiliza diésel o gas natural como combustible en diversas condiciones de funcionamiento).
• Si la operación requiere que se utilice combustible diésel hasta el 50 por ciento del tiempo de funcionamiento, la prueba de BN debe incluirse como un requisito de análisis de aceite.

Debido a que la mayoría de los aceites para motores a gas natural están formulados como aceites con un contenido de cenizas bajo o medio, los niveles de BN generalmente estarán en un rango de tres a siete. Estos niveles pueden no ser suficientes para proteger los motores que utilizan combustibles duales.

El BN también es una prueba de análisis de aceite importante cuando el combustible en uso contiene altos niveles de azufre y/o halógenos orgánicos, como cloro o flúor. Cuando se utiliza gas agrio con alto contenido de azufre o gas de vertedero, los aceites de gas natural típicos disponibles pueden no proteger lo suficiente al motor de los compuestos ácidos.

En estos casos, el operador del motor puede necesitar acortar los cambios de aceite o seleccionar un aceite con un BN más alto, que proporcionará un mayor nivel de alcalinidad.

Los posibles problemas de lubricación causados por el uso de los tipos de combustible descritos deben analizarse tanto con el fabricante del motor como con el proveedor de lubricantes

3. Número Ácido: 

Es un indicador de niveles elevados de acidez en los aceites para motores a gas natural, frecuentemente acompañados de aumentos de viscosidad. 

• Las pruebas de AN se utilizan a menudo para establecer intervalos óptimos de cambio de aceite para muchos tipos de aceites industriales, en particular los utilizados en motores a gas natural. 
• Un nivel alto de AN es un indicador de nitración, oxidación y contaminación.

La norma ASTM D664 es la prueba principal que se utiliza y la regla general para esta aplicación de prueba es que cuando el AN duplica el valor del aceite nuevo, el aceite se está acercando a su límite de rechazo.

4. Nitración/Oxidación:

Ambos son procesos que ocurren naturalmente en los aceites para motores a gas natural y que pueden ser bastante graves, según las condiciones, como las relaciones aire-combustible y las temperaturas de funcionamiento del aceite.

• La oxidación es causada por la reacción del aceite con el oxígeno en combinación con catalizadores como las partículas de desgaste de cobre, en particular cuando las temperaturas del aceite aumentan por encima de los 95 °C. La oxidación ocurre en algún grado en todos los sistemas lubricados y da como resultado un aumento en la viscosidad del aceite.
• La nitración, por otro lado, ocurre con mayor frecuencia en los motores a gas natural y, si no se controla, puede causar problemas graves, incluida la solidificación completa del aceite. La nitración es una reacción química dentro del aceite, que hace que las cadenas de carbono reaccionen con el dióxido de nitrógeno (NO₂) formado durante la combustión del gas natural, lo que causa un espesamiento grave y prematuro del aceite. Esto da como resultado la formación de depósitos de carbón y barniz severos. Una vez que comienza, la condición empeora exponencialmente.

Es preciso monitorear dos factores importantes que deben controlarse cuidadosamente para evitar una nitración excesiva. 

a. La temperatura de funcionamiento del aceite. La nitración se vuelve significativa a temperaturas del depósito de aceite de aproximadamente 57 °C y se vuelve aún más dramática a temperaturas más bajas. (Los motores de gas natural deben funcionar con temperaturas de aceite en un rango de 82 °C a 85 °C) para controlar tanto la nitración como la oxidación). 

b. La relación aire-combustible afecta la nitración, alcanzando su máximo en proporciones de 18 a 1 o 19 a 1. Para motores Waukesha, una relación rica de 15,5 a 1 ofrece mejor potencia, mientras que una mezcla más pobre de 17 a 1 mejora la economía pero causa nitración. Los motores más nuevos con relaciones de 20 a 1 o más reducen significativamente la nitración. Se recomienda usar espectroscopia infrarroja directa o análisis FTIR para monitorear el aceite del motor, comparando aceite usado con nuevo para detectar contaminación y ajustar según sea necesario (Figura 01).

Figura 1

5. Contaminación Por Glicol

La presencia de glicol en el aceite, detectada mediante la prueba ASTM D2982, es una señal de alarma. Indica una fuga en el sistema de refrigeración que puede provocar daños graves al motor. 

El glicol, al mezclarse con el aceite, provoca una reacción química que produce ácidos corrosivos. Estos ácidos atacan las superficies metálicas del motor, formando depósitos que pueden obstruir los conductos de aceite y reducir la capacidad del lubricante para proteger las piezas móviles. Como resultado, se acelera el desgaste y se aumenta el riesgo de fallas mecánicas.

6. Contaminación Del Agua

La presencia de agua en el aceite de un motor a gas natural, especialmente en aquellos que operan a altas temperaturas y presiones, puede causar graves problemas. Incluso pequeñas cantidades de agua pueden generar espuma, lo cual reduce la capacidad del aceite para lubricar y proteger las partes del motor. Además, el agua puede acelerar la degradación del aceite a través de un proceso llamado nitración. 

La temperatura del aceite es un factor crucial para prevenir problemas relacionados con la contaminación por agua. Si la temperatura del aceite es demasiado baja, el agua no se evapora y puede causar la formación de espuma y acelerar la degradación del aceite. Por lo tanto, es fundamental mantener la temperatura del aceite dentro de los rangos recomendados por el fabricante del motor (82 °C a 85 °C).

7. Insolubles

Son los contaminantes sólidos que permanecen en el aceite lubricante, como polvo, suciedad y partículas de carbón, además de los metales de desgaste que no se han eliminado mediante filtración. Cuando hay insolubles presentes, especialmente en grandes cantidades, pueden promover la formación de espuma y generalmente aumentarán la viscosidad del aceite.

Además, algunos motores de gas natural que funcionan en condiciones desequilibradas generarán hollín debido a una combustión incompleta.

Es importante que estos contaminantes insolubles se controlen y se midan utilizando técnicas como la precipitación, la centrifugación, los métodos gravimétricos o de conteo de partículas.

Una de estas técnicas, que se realiza de acuerdo con la norma ASTM D4055, mide los insolubles filtrando una cantidad medida de aceite diluido con pentano a través de un filtro de 0,8 micrones y luego pesando el depósito restante después de que el filtro esté seco. El depósito también se puede ver con un microscopio y un analista o un operador de motor experimentado puede evaluar las partículas para tomar medidas adicionales.

Un resultado de dichas pruebas es la determinación de que el propio sistema de lubricación (depósitos, carcasas de filtros, tuberías y tanques de sedimentación) puede requerir limpieza y lavado.

8. Análisis Espectroquímico

Este análisis nos permite ‘espiar’ dentro del motor, midiendo la cantidad de metal desgastado y la concentración de aditivos. Los resultados, expresados en partes por millón, son como una radiografía que revela la salud del motor. Sin embargo, para interpretar correctamente estos datos, debemos considerar varios factores, como el tamaño de las partículas de desgaste y la frecuencia con la que se realizan las muestras. Cada motor es único, por lo que es esencial llevar un registro detallado de su evolución a lo largo del tiempo.

Al analizar el desgaste de un motor, no basta con una sola muestra de aceite. Necesitamos observar una tendencia a lo largo del tiempo para identificar patrones y detectar problemas potenciales. El análisis espectroquímico nos proporciona esta información, pero es crucial comparar los resultados de varias muestras tomadas en intervalos regulares para poder evaluar la tasa de desgaste y tomar decisiones informadas sobre el mantenimiento del motor.

Cenizas Sulfatadas

Cualquier discusión sobre el análisis elemental de los aceites para motores a gas natural no está completa sin un comentario sobre el contenido de cenizas sulfatadas. El funcionamiento de los motores a gas natural tiende a formar diversos depósitos, como barniz, lodo y un residuo de ceniza que permanece después de que el aceite se quema durante el funcionamiento.

El barniz y el lodo se controlan mediante los aditivos detergentes/dispersantes, sin embargo, estos aditivos detergentes/dispersantes tienden a dejar un residuo de ceniza gris y esponjoso después de que se ha quemado el aceite. Este residuo de ceniza está compuesto de sulfatos metálicos de aditivos como bario, calcio, fósforo, zinc, magnesio y boro (Tabla 01).

La formulación de lubricantes para motores a gas natural es un delicado equilibrio. Los aditivos, como el zinc y el fósforo, son esenciales para proteger las válvulas del desgaste prematuro. Sin embargo, un exceso de estos aditivos puede causar problemas, como la formación de depósitos que dañan el catalizador y reducen la eficiencia del motor. 

La recesión de la válvula es el desgaste prematuro del asiento de la válvula en la culata. 

El residuo de ceniza sulfatada ayuda a prevenir la recesión prematura de la válvula al “amortiguar” el área del asiento de la válvula (Figura 02).

Por lo tanto, los fabricantes de lubricantes deben encontrar la concentración óptima de aditivos para garantizar tanto la protección del motor como el cumplimiento de las normas de emisiones.

Las cenizas sulfatadas desempeñan un papel crucial en la protección de las válvulas de los motores a gas natural. Al formar una capa protectora en el asiento de la válvula, ayudan a prevenir el desgaste prematuro. Sin embargo, es importante controlar la cantidad de cenizas sulfatadas, ya que un exceso puede dañar el catalizador y reducir la vida útil del motor. Por lo tanto, es fundamental seleccionar un lubricante con una concentración de cenizas adecuada para el motor en cuestión.

Consumo de Aceite

Los motores a gas natural, a diferencia de los de diésel o gasolina, suelen consumir cantidades significativas de aceite lubricante. Esta característica es normal y se debe a factores como el diseño del motor y las condiciones de operación. Al evaluar el consumo de aceite de un motor a gas natural, es importante comparar los resultados con los valores de referencia proporcionados por el fabricante.

El análisis de aceite es una herramienta fundamental para monitorear la condición de un motor a gas natural. Sin embargo, es esencial tener en cuenta el consumo de aceite al interpretar los resultados. Un alto consumo de aceite puede diluir las concentraciones de partículas de desgaste y otros contaminantes, lo que puede llevar a una interpretación errónea de los datos.

Fabricantes De Motores Consideran Diversos Factores Al Recomendar Un Lubricante

Las recomendaciones de lubricantes de los fabricantes de motores deben tenerse muy en cuenta al seleccionar lubricantes y aplicar programas de análisis de aceite eficaces. 

Por ejemplo:

• Caterpillar 3520  requiere un aceite con bajo contenido de cenizas y una viscosidad SAE 30 o 40. Caterpillar recomienda cambiar el aceite cada 750 horas o en un intervalo adecuado según un programa de análisis de aceite programado regularmente. Las especificaciones de aceite de motor Caterpillar exigen aceites con niveles de cenizas sulfatadas que no superen el 0,45 por ciento (en peso) con un BN de 4,8.
• Fairbanks Morse de dos tiempos (Fabricados en Beloit, Wisconsin), de combustión pobre y pistones opuestos verticales suelen consumir un galón de aceite por cilindro por día cuando funcionan a su carga nominal máxima. Como resultado, nunca se requieren cambios de aceite. Según la publicación de la EMA, las viscosidades de aceite recomendadas son SAE 30 o 40, según la temperatura. Estos motores requieren aceites con un contenido de cenizas sulfatadas de tan solo el 0,2 por ciento al 0,5 por ciento con un BN en un rango de 3 a 7 cuando se quema gas natural de alta calidad. Cuando se queman combustibles con un contenido de azufre de hasta el 1,0 por ciento, el fabricante recomienda aceites con un contenido de cenizas sulfatadas del 1,3 por ciento al 2,0 por ciento con un BN de 9 a 16.

En resumen, es indispensable que quienes operen motores a gas natural tengan un conocimiento profundo de las necesidades específicas de lubricación y mantenimiento de sus equipos. Entender los resultados de los análisis de aceite y establecer límites claros para la sustitución del lubricante es esencial para garantizar un funcionamiento óptimo y prolongar la vida útil del motor.

@ISOPETROL recomienda CAM2 HD GEO SAE 15W-40 para los motores a gas natural Cummins que requieren un lubricante que cumpla la especificación CES 20074 y motores Detroit Diesel que requieran un aceite que cumpla la especificación DDC 93K216; implementados en buses, camiones y vehículos de reparto.

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Referencias

1. Leugner, L. The Practical Handbook of Machinery Lubrication (2nd ed.). Canada: Maintenance Technology International Inc. p. 29-33, 185 – 205.
2. Marshall, E.R. (1993). Used Oil Analysis, A Vital Part of Maintenance (Vol. 79, No. 2), U.S.A. Texaco Inc. p. 9 -10.

^{_{Créditos: https://www.gob.pe/institucion/atu/noticias/542161-la-atu-publico-las-caracteristicas-que-estandarizaran-a-los-buses-a-gnv-y-diesel-para-el-transporte-publico}}