13.2.- Lubricación con Grasa

La grasa industrial es el producto sólido o semifluido resultado de la dispersión de un agente espesante en un lubricante líquido.

La grasa es el lubricante más usado para lubricar cojinetes, ya que simplifica los sistemas de lubricación al no requerir sistemas de sellado complicados y necesitar un relativo bajo nivel de mantenimiento. La grasa es la primera opción para lubricar bombas centrifugas de baja energía, de hecho, es el lubricante más aplicado en cojinetes de elementos rodantes.

La lubricación con grasa es aplicada a más del 80% de este tipo de cojinete lubricados con grasa (diferentes fuentes de información coinciden en esta banda aproximada de porcentaje), básicamente porque la mayor parte de las bombas centrífugas generales de procesos son bombas de baja energía y con una velocidad máxima de 3.600 RPM. La figura N° 13-3 muestra un cojinete de elementos rodantes, específicamente de rodillos lubricado con grasa.

N° 13-3.- Diagrama de un cojinete lubricado con grasa.
N° 13-3.- Diagrama de un cojinete lubricado con grasa.
Fuente: http://www.skf.com/portal/skf/home/products…..

Los fabricantes de maquinarias tanto de bombas centrífugas como de motores eléctricos maximizan el uso de lubricación por grasa en los equipos de baja potencia y velocidad media. Este sistema de lubricación ahorra tuberías, simplifica el diseño de las cajas de cojinetes y simplifica las actividades y rutinas de mantenimiento.La lubricación con grasa Deja de ser funcional, cuando los equipos pasan a tener combinaciones de cargas medias a altas, con mayores velocidades periféricas de los ejes y cojinetes o altas temperaturas donde la grasa no tiene la suficiente capacidad para remover el calor o para prevenir la centrifugación del lubricante líquido de la grasa.

La norma ASME B73.1, en la sección 4.7.5 recomienda como selección preferencial para lubricar los cojinetes de las bombas fabricados siguiendo esa norma el aceite lubricante, sin embargo, da libertad a los fabricantes para seleccionar la grasa como elemento lubricante siempre y cuando se tomen las previsiones para los re-engrases.

Hasta la 8va edición del API 610/ISO 13709, el sistema de lubricación mandatario era la lubricación por aceite, a partir de la 9na edición es posible el uso de lubricación por grasa si es especificado por el comprador, con las siguientes limitantes.

  • No se puede usar lubricación por grasa si la vida estimada de la grasa es menor de 2.000 horas (calculada siguiendo la metodología del fabricante).
  • Si la vida de la grasa va de 2.000 hasta 25.000 horas se deben dejar previsiones para que los cojinetes sean re-lubricados.
  • Si la vida estimada de la grasa para el servicio es mayor de 25.000 horas, no se debe hacer ningún arreglo o dejar facilidades para la re-lubricación.

Se debe evitar la contaminación del lubricante principalmente por humedad para lo cual se usan de estoperas para prevenir la entrada de humedad y/o sellar la cajera de cojinetes no es tolerada. La recomendación de los usuarios actuales es utilizar sellos de laberinto reemplazables, hechos de material que no genere chispas al rozar.

La grasa es un compuesto lubricante que tiene tres componentes básicos el aceite lubricante, el espesante y los aditivos que son mezclados en las siguientes proporciones:

  • El aceite base está en una proporción entre el 70 y 95%.
  • La proporción de espesante está entre 3 y 30%
  • Los aditivos pueden ir de 0 a 10% del volumen total.

13.2.1.- Aceite Base

En la actualidad el aceite base para la composición de las grasas lubricantes en aplicaciones industriales puede ser mineral, sintético o una mezcla de los dos. Los aceites minerales actualmente componen el 95% de las bases usadas para las grasas. Por ejemplo, para grasas de propósitos múltiples los aceites seleccionados tienen viscosidades que van de 150 a 220 cST a 40 °C de temperatura.

 Existen grasas sintéticas basadas en aceites lubricantes de base sintéticas, como las Polialfaoleofinas (PAO), Esters, Siliconas que poseen alta resistencia a la oxidación, estas grasas representan en la actualidad menos del 5% de las grasas formuladas para servicios industriales. Las grasas con aceites sintético son usadas en ambientes de temperaturas extremas, tanto bajas -29°C (-20 °F) como altas hasta 127 °C (260 °F) estos parámetros están lejos del alcance de los aceites minerales.

El uso de las grasas con aceites sintéticos se ha extendido en los últimos años debido a que los precios de adquisición se han mantenido en la misma banda de las grasas convencionales con las ventajas de su mayor capacidad para trabajar con temperaturas extremas, mayor estabilidad en condiciones adversas como altas cargas y altas velocidad, con la ventaja adicional de ofrecer alternativas ecológicas o biodegradables.

13.2.2.- Espesantes

Las grasas usan espesantes que son jabones metálicos que operan como una esponja o una red de fibras que se moja en el aceite y lo retiene, liberándolo cuando la temperatura aumenta. Estos jabones incluyen Litio, Aluminio, Urea, Sodio y Calcio. Los espesantes ocupan una proporción dentro de la grasa que alcanza del 3 al 30% en peso.

Los jabones comúnmente usados en las grasas son los de Calcio, Sodio, y Litio. Las grasas con jabón de Calcio son resistentes al agua y debe ser usados a temperaturas inferiores a 60 °C. Las grasas con jabón de calcio se usan regularmente en servicios de baja potencia a temperaturas medias y sobre todo en ambientes marinos.

La grasa con jabón de Sodio tiene buena resistencia a la temperatura y pueden ser aplicadas en una amplia gama de servicios, sin embargo, en servicios húmedos tiene tendencia a absorber agua de forma excesiva perdiendo sus propiedades lubricantes.

La grasa con mayor popularidad en la actualidad es la grasa con espesante en base a Litio debido a su desempeño es superior a otros espesantes, en cuanto a su resistencia a la temperatura. Esta grasa trabaja en rangos de temperatura de entre 110 y 130 °C (230 a 266 °F). La grasa de Litio tiene alta resistencia a desplazamiento por el agua, es decir que suma las ventajas de las grasas de Calcio y Sodio sin tener las desventajas que ellas poseen. Las grasas con espesantes a base de Sodio cubren en la actualidad más del 70% de las grasas comerciales para aplicaciones industriales.

También se usan en la actualidad las grasas de complejas que contienen jabones salinos de Litio, Aluminio, etc., las cuales resisten temperaturas más altas que las grasas convencionales, siendo muy resistentes a la oxidación.

El espesante también puede ser de origen sintético como la poliuria que es un espesante no jabonoso que es formado de derivados de la Urea, los cuáles no son polímeros reales pero que poseen una estructura similar a los jabones minerales con la diferencia que son muy estables, tienen un alto punto de goteo y ofrecen una vida de servicio alta. Estas grasas pueden satisfacer las necesidades de servicios de alta temperatura hasta aproximadamente 180 °C (356 °F).

13.2.3.- Clasificación de las Grasas

Los aditivos son utilizados en las grasas para mejorar su resistencia a la oxidación, para proteger contra la corrosión, para aumentar la capacidad de carga (aditivo de extrema presión) y mejorar el rendimiento contra el desgaste. No se profundizará en las características de los diferentes aditivos ya que esta fuera del alcance del libro.

Las grasas son clasificados de acuerdo con la consistencia ellas van desde la denominación NLGI 000 (muy suave) hasta la NLGI 6 (muy rígida). La NLGI es la “National Lubricating Grease Institute” de los Estado Unidos quienes diseñaron un procedimiento de medición de la rigidez de las grasas lubricantes.

La rigidez de las grasas lubricantes es medida mediante la penetración de un cono calibrado en un recipiente con grasa a 25 °C (77 °F). Las grasas grado 000, 00 y 0 son semi-fluidas a temperatura ambiente y son comúnmente usadas en sistemas centralizados de lubricación, ahora las grasas grado 5 y 6 son las de mayor rigidez y son usadas par lubricar sistemas dinámicos de hornos y máquinas de plantas papeleras.

La consistencia de grasa más usada es la grasa consistencia NLGI 2, ya que posee un buen balance entre consistencia y fluidez, es lo suficientemente rígida para resistir la centrifugación durante el uso y la separación o desplazamiento del aceite base del espesante cuando es sometida a altas cargas. El grado 3 es usado para lubricar los cojinetes sellados (con doble sello), donde la grasa es entrampada dentro del cojinete.

13.2.4.- Características de la Lubricación con Grasa

Una de las principales limitaciones de la grasa es su tendencia a ser centrifugada a velocidades altas o a ser completamente desplazada cuando los elementos son sometidos a altas cargas. Cuando la velocidad de la bomba centrífuga supera los 3600 RPM las posibilidades de utilizar grasas minerales de uso múltiple como lubricante se ve comprometida, debido a que los intervalos entre re-lubricación se reducen de forma significativa. La grasa como lubricante se debe limitar a servicios en los cuales las potencias no superen los 150 kW (200 HP) y las velocidades no sean superiores a 3.600 RPM.

Por ejemplo, usando la metodología del “Tribology Handbook de Mike Neal”, para estimar la vida aproximada de la grasa y los periodos de re-lubricación en una bomba centrífuga equipada con cojinetes de bolas de 60 mm de diámetro del agujero del eje, serie media, con cajera de acero prensada para centrar las esferas, lubricado con una grasa a base de jabón de Litio de consistencia 3. La bomba opera a una temperatura de 100 °C (212 °F) y la primera velocidad para la selección del intervalo de re-lubricación será de 1.800 RPM. El resultado da una vida aproximada de la grasa de 3.700 horas, lo que indica que las bombas tienen que ser re-lubricada como mínimo cada cinco meses).

Ahora si la velocidad de la bomba la incrementamos hasta 3.600 RPM la vida de la grasa se reduce hasta aproximadamente 1.300 horas, lo que indica que la bomba tiene que ser re-lubricada cada 1,8 meses.

Manteniendo la velocidad inicial de la bomba de 1.800 RPM, pero incrementando la temperatura de 100 °C a 120 °C la vida de la grasa se reduce a 1.200 horas es decir que debe ser re-lubricada cada 1,6 meses. La temperatura y la velocidad aparte de la carga son dos factores determinantes en la vida estimada de la grasa.

De acuerdo con algunos fabricantes la vida del aceite mineral (por extensión de la grasa, que está compuesta de más del 70% de aceite) es de 30 años, si el trabajara permanentemente a 30 °C (86 °F), reduciéndose la vida de la grasa a la mitad cada 10 °C (18 °F) que se incremente la temperatura. Es decir que la vida de una grasa que trabaja a 60 °C (140 °F) seria de tres años y 9 meses. Se está considerando que el lubricante sea grasa o aceite está libre de contaminantes y de humedad.

Las grasas sintéticas y de jabones complejos tienen mayor desempeño que las grasas corrientes con espesantes de jabón metálico y aceite mineral, sin embargo, su costo es sensiblemente más alto que el costo de una grasa estándar. En un estudio comparativo realizado hace años que tomo como base de referencia la grasa de mayor popularidad y más usada, una grasa de jabón de Litio con aceite mineral a la cual se le asignó el valor de uno (1) para comparar su precio con grasas hechas con otros espesantes tanto metálicos como sintéticos y con otros aceites. La tabla N° 13-1 muestra la comparación entre las grasas.

Tabla 13-1.- Muestra la comparación entre los costos de las diferentes composiciones de grasas industriales.
Tabla 13-1.- Muestra la comparación entre los costos de las diferentes composiciones de grasas industriales.

En la tabla 13-1 se observa que las grasas con jabones metálicos del tipo complejas, pero con aceites base sintéticos tiene un costo de más de cinco veces el costo de una grasa estándar con aceite base mineral. Sin embargo, las grasas completamente sintéticas (son sintéticos el jabón y el aceite base) superan en más de 40 veces el precio de una grasa convencional. En la actualidad con la evolución tecnológica se ha reducido la brecha entre los precios de las grasas minerales y las sintéticas haciéndolas accesibles.

13.2.5.- Metodos de Aplicación de la Grasa

Generalmente en plantas de pequeño y mediano porte las acciones de re-engrase son realizadas directamente en los equipos. Se aplica la grasa directamente en la caja de cojinetes mediante una grasera, en una actividad que es realizada por equipos de trabajadores o lubricadores o por los mecánicos o electricista que realizan el servicio a los equipos. La Figura N° 13-4 presenta como es la configuración de una cajera de cojinetes para ser re-lubricada usando una grasera.

Figura N° 13-4.- Diagrama de una cajera de cojinetes siendo lubricada con grasa.
Figura N° 13-4.- Diagrama de una cajera de cojinetes siendo lubricada con grasa.
Fuente: http://www.skf.com/portal/skf/home/products?lang=en&maincatalogue=1&newlink=1_0_114

En este método de re-lubricación se utilizan graseras manuales para bombear la grasa a los cojinetes. La metodología empleada es muy simple, pero si no se tiene cuidado es posible que se creen las condiciones para originar la falla del equipo. A continuación, se describen los pasos principales para la re-lubricación de los cojinetes de un equipo rotativo:

Observando la figura 13-4 como guía para la comprensión del re-engrase manual, el proceso es el siguiente:

  • Con el equipo fuera de servicio se realiza la remoción del tapón inferior de la cajera de cojinetes que está indicado como salida de grasa en la figura 13-4.
  • Luego se conecta la manguera de la grasera en el tapón superior de la cajera de cojinetes y se inicia el trabajo de bombear grasa al cojinete, la actividad finaliza cuando se observa la salida de grasa nueva o limpia por el agujero de salida de la grasa.
  • Al terminar de agregar grasa se debe girar el rotor del equipo manualmente para que el exceso de grasa escape por la salida de grasa.
  • Cuando concluye la operación de re-engrase se procede a restituir los tapones superior e inferior de la cajera de cojinetes para evitar que la grasa se escape de la cajera cuando el equipo está en funcionamiento.
  • Luego de una o dos horas de la reactivación del funcionamiento del equipo verifique la temperatura de operación de los cojinetes para asegurar que todo este normal.

El procedimiento es muy sencillo, sin embargo, es común el error de no retirar el tapón inferior de la cajera de cojinetes. Este olvido causa el empacamiento de la grasa en el interior de la cajera de cojinetes, lo que da origen a recalentamiento y/o la ruptura de los sellos de la cajera facilitando la perdida de la grasa y propiciando daños prematuros del equipo.

En plantas de mayor porte o de mayor complejidad en la actualidad se están usando sistemas de distribución de grasa centralizados que actúan automáticamente y que utilizan grasa semifluida de consistencia NLGI 0, 00 ó 000. Estos sistemas facilitan las actividades de re-lubricación y de acuerdo con los registros representan ahorros en los costos de operación y reducen las paradas para mantenimiento.

También están muy difundidos en el ámbito industrial los alimentadores de grasa individuales, que actúan también de forma automática. Ellos trabajan autónomamente mediante un reloj o por intermedio de una reacción química. Por lo general son usados en equipos clasificados como críticos o de difícil acceso como puede ser el caso debombas colocadas en plataformas sobre elevadas en alguna planta de procesos.

En la figura 13-5 muestra el corte de un dispensador individual de grasa, que actúa automáticamente.

Figura N° 13-5.- Dispensador automático de grasa y su corte.
Figura N° 13-5.- Dispensador automático de grasa y su corte.
Fuente: http://www.skf.com/portal/skf/home/products ……….

Existen cojinetes pre-lubricados con grasa de fábrica, donde la grasa está sellada en el interior del cojinete mediante unas tapas que pueden ser metálicas o plásticas. La duración de esta grasa, que es de altísima calidad, corresponde a la vida del cojinete. La cantidad de grasa empacada en el cojinete cubre aproximadamente el 30% del espacio libre, lo que es suficiente para garantizar una buena lubricación.

Estos cojinetes son denominados cojinetes sellados o blindados. La nomenclatura existente para diferenciar estos cojinetes sellados es Z cuando se usa una sola tapa metálica cubriendo un solo lado y 2Z o ZZ cuando se usan dos tapas metálicas para cubrir los dos lados. Cuando se usan tapas plásticas o de material elastomérico la nomenclatura es RS para una sola tapa y 2RS para dos tapas.

Existen otras variantes como la VV o 2V que son también sellados, pero con sellos de goma o plástico para mejorar la capacidad para retener grasa y evitar el ingreso de sucio y otros contaminantes.

La aplicación de los cojinetes sellados se circunscribe a servicios de baja energía y cargas limitadas, debido a que en servicios severos la duración de la grasa y por asociación la vida del cojinete se reduce drásticamente. El resultado de utilizar cojinetes sellados en servicios severos es la reducción de las horas de vida de la grasa a rangos inaceptables.

La norma ASME B73.1 permite el uso de cojinetes engrasados de por vida como una opción para los fabricantes de bombas.

La figura 13-6 muestra un cojinete sellado de doble tapa, con tapas plásticas (2RS).

Figura N° 13-6.- Cojinete sellado con tapas plásticas (2RS).
Figura N° 13-6.- Cojinete sellado con tapas plásticas (2RS).
Fuente: www.corsairsarl.com/uk2/ball-and-roller-bearings.html

La lubricación con grasa es ventajosa cuando:

  • Es posible usarla de acuerdo con la demanda del equipo.
  • Las aplicaciones están relacionadas con ambientes altamente contaminados, donde la grasa actúa como elemento sellante por lo que evita la entrada de los contaminantes a los cojinetes.
  •  Existen lugares difíciles de lubricar y donde no se toleran fugas de ningún tipo.
  •  Se necesita la simplificación del sistema de lubricación.

Acerca del autor de este libro:

José Miguel Acosta Pérez

José Miguel Acosta Pérez, es Ingeniero Mecánico egresado de la Universidad Simón Bolívar (USB) (Venezuela-1982); Especialista en Equipos Rotativos, Universidad Simón Bolívar (USB) (Venezuela-1990), Especialista en Gerencia de Proyectos, Universidad Católica Andrés Bello (UCAB) (Venezuela-2001), Especialista en Equipos para Producción de Petróleo On and Offshore, Universidade de Iguazu (UNIG) (Brasil-2010). 

E-mail de contacto: jose.acosta_pumpbook.com.br

CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN

1.1.- ¿Qué es una Bomba?
1.2.- ¿Qué son las Bombas Centrífugas?

CAPÍTULO 2
PARTES DE UNA BOMBA CENTRÍFUGA

2.1.- Impulsores
2.2.- Eje
2.3.- Carcasa
2.4.- Anillos de Desgaste
2.5.- Cojinetes
2.6.- Sellos Mecánicos

CAPÍTULO 3
¿CÓMO LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS TRANSMITEN LA ENERGÍA A LOS FLUIDOS?

3.1.- Cabezal Total de una Bomba Centrífuga
3.2.- Sistemas Asociados a las Bombas y sus Características
3.3.- Potencia y Eficiencia en las Bombas Centrífugas

CAPÍTULO 4
CURVAS DE RENDIMIENTO DE LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS

4.1.- Forma de la Curva de Rendimiento
4.2.- Diseño Hidráulico de las Bombas Centrífugas

CAPÍTULO 5
CEBADO DE LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS

5.1.- Cebado Manual con Válvula de Pie
5.2.- Cebado con Tanque de Cámara Simple
5.3.- Cebado por Succión Positiva
5.4.- Cebado con Eyectores
5.5.- Cebado con Bombas de Vacío

CAPÍTULO 6
CARACTERÍSTICAS DE SUCCIÓN DE UNA BOMBA CENTRÍFUGA

6.1.- Como se Determina el NPSHA
6.2.- Como se Determina el NPSHR
6.3.- Como Mejorar el NPSHA de un Sistema de Bombeo
6.4.- Fenómeno de Cavitación

CAPÍTULO 7
OPERACIÓN CON LÍQUIDOS VISCOSOS

CAPÍTULO 8
FLUJO MÍNIMO

8.1.- Flujo Mínimo Térmico
8.2.- Flujo Mínimo Continuo

CAPÍTULO 9
LEYES DE AFINIDAD

9.1.- Aplicación de las Leyes de Afinidad
9.2.- Ajustes en los Impulsores Luego del Corte

CAPÍTULO 10
OPERACIÓN CON MÁS DE UNA BOMBA

10.1.- Bombas Operando en Paralelo
10.2.- Bombas Operando en Serie

CAPÍTULO 11
PARTES Y SISTEMAS ACCESORIOS PARA LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS

CAPÍTULO 12
COJINETES

12.1.- Cojinetes Radiales
12.2.- Cojinetes de Empuje

CAPÍTULO 13
LUBRICACIÓN

13.1.- Tipos de Lubricación
13.2.- Lubricación con Grasa
13.3.- Lubricación con Aceite

CAPÍTULO 14
ACOPLAMIENTO

14.1.- Acoplamientos de Engranajes
14.2.- Acoplamientos de Rejilla de Agarre Continuo
14.3.- Acoplamientos Elastoméricos
14.4.- Acoplamiento Flexible de Láminas Metálicas

CAPÍTULO 15
SELLADO DEL EJE

15.1.- Caja de Sellos
15.2.- Empaquetaduras
15.3.- Sellos Mecánicos

CAPÍTULO 16
MATERIALES DE FABRICACIÓN

16.1.- Materiales de Acuerdo con el ASME B73.1
16.2.- Materiales de Acuerdo con el API 610
16.3.- Otras Consideraciones

CAPÍTULO 17
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL

17.1.- Control por Regulación de Flujo
17.2.- Control por Recirculación
17.3.- Control por Variación de Velocidad
17.4.- Otras Consideraciones para el Control de Flujo

CAPÍTULO 18
MOTORES ELÉCTRICOS

CAPÍTULO 19
VIBRACIÓN MECÁNICA EN BOMBAS CENTRÍFUGAS

19.1.- Como se Miden las Vibraciones y Como son Interpretadas
19.2.- Que Dicen el Asme B73.1 Y el API 610 Sobre Vibración
19.3.- Causas de las Vibraciones en las Bombas Centrífugas

CAPÍTULO 20
PRINCIPALES TIPOS DE BOMBAS CENTRÍFUGAS

20.1.- Bomba de Succión Frontal
20.2.- Bomba Vertical en Línea
20.3.- Bombas Horizontales Multietapas
20.4.- Bomba Doble Succión Axialmente Partida, Entre Cojinetes
20.5.- Bomba Vertical Tipo Turbina

CAPÍTULO 21
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS

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