Taller ACR-P
Aprende el Análisis Causa Raíz

Lubricación de motores estacionarios a gas

Introducción

La utilización de los motores de combustión interna alimentados con gas, especialmente gas natural, para la generación combinada de energía térmica y eléctrica y cogeneración, ha aumentado en los últimos años. Son una fuente eficiente de energía y amigables con el medio ambiente en una amplia variedad de aplicaciones industriales y domésticas, alcanzando niveles de eficacia superiores al 90%. Son equipos similares a los motores de combustión interna con  relaciones de compresión desde 4:1 a 12:1 y ciclos de operación de 2 y 4 tiempos.

Su operación requiere una vigilancia estrecha ya que se ubican en localidades aisladas o de difícil acceso y de allí la importancia a de un buen servicio de análisis de lubricantes.

La cogeneración y nuevas tecnologías hacen posible el uso de gases residuales provenientes de diferentes procesos de fermentación y han traído consigo gran desarrollo de motores estáticos de tamaño medio y grande entre 300 y 1000KW. Principales fabricantes y afiliadas: Clark, Caterpillar, Guascor, Waukesha, Wartsila, Superior, Cooper Bessemer, Dresser Rand, Fairbank Morse, Ajax, Jenbacher, Man.

Combustibles para motores de gas

En su gran mayoría son combustibles gaseosos, compuesto de hidrocarburos y otros compuestos; pueden obtenerse de una amplia variedad de fuentes:

  • Gases Licuados de Petróleo: Basado en propano y butano o por gas natural, constituido por metano, etano, propano, butano, CO2 y N2. Puede ser dulce o agrio; contener H2S, muy corrosivo, además de pequeñas cantidades de sílice. (gas natural de  tipo seco o húmedo / dulces o agrios)
  • Degradación biológica de materias orgánicas: Gases de la digestión anaeróbica o bioquímica de materias orgánicas presentes en desechos industriales o domésticos, aguas fecales, desechos agrícolas y alimenticios. Constituido por metano, CO2, N2, vapor de agua, y componentes agresivos como H2S, hidrocarburos halogenados y otros así como sílice, humedad y arsénico. (biogás, gas de digestión o gas de relleno) 
  • Productos de proceso industrial o como productos derivados del mismo: Obtenidos como derivados de un proceso industrial (gas de madera de refinería, de cabeza de pozo de petróleo). Pueden contener azufre. (gases fabricados).

Composición típica del gas según su fuente u origen

PCI: Energía equivalente a la energía del gas natural.

La diferencia en la composición y contenido del combustible ha obligado a desarrollar una tecnología específica para este tipo de motores. La selección de los lubricantes viene determinada por estas diferencias de composición y por la presencia o no de componentes agresivos en la misma. Los motores de gas trabajan a temperaturas muy altas lo que promueve la formación de óxidos de nitrógeno (Nox) al combinar nitrógeno con oxígeno procedente del aire de combustión. No  hay producción de hollín (no contienen HC pesados).

Lubricantes para motores a gas

Los motores de gas utilizados en aplicaciones industriales funcionan de forma regular bajo altas cargas y temperaturas, durante largos periodos de tiempo, en ubicaciones inaccesibles y supervisión mínima. Por ello se necesita un alto grado de fiabilidad y calidad en lo que a las prestaciones del motor y el aceite se refiere. Las altas cargas y las temperaturas presentes en los motores promueven la oxidación, haciendo imprescindible la utilización de aceites con gran estabilidad a la oxidación, a fin de prevenir el aumento de la viscosidad por polimerización del aceite, el desgaste corrosivo por formación de ácidos y la formación de lodos y barnices. Los motores de gas son más propensos al desgaste de las válvulas y de sus asientos. Esto se debe a la naturaleza seca y limpia de la combustión dentro del motor y a la carencia de hollín o compuestos de plomo que normalmente lubrican las válvulas. El nivel de ceniza sulfatada es mucho más crítico que en motores gasolina o diésel. 

Altos niveles de depósito de ceniza pueden causar un encendido prematuro y la presencia de suciedad en las bujías podría provocar encendidos defectuosos, válvulas quemadas, etc. La recesión o golpeteo o hundimiento de las válvulas es una condición donde la cara de la válvula y su asiento se desgastan aceleradamente. 

La formación de cenizas es beneficiosa en la mayoría de los MCI. Sin embargo su exceso sobre las superficies de las válvulas, en motores a gas, puede no proporcionar la protección contra la exposición a elementos dañinos en el gas combustible y a las altas temperaturas. Debido a que queman gas, mucho más limpio, los aceites formulados para para motores a gas, no requieren el mismo nivel de detergencia que los motores diésel o gasolina;  por esto, se emplean aceites con sin cenizas (2T) o con bajo contenido en cenizas (4T), para evitar depósitos en las lumbreras (2T) y lubricar los asientos de las válvulas y reducir su recesión (4T), en especial cuando está funcionando con gas natural o biogás no agresivo. 

Por exigencias ambientales (quemado limpio) se ha obligado a algunos fabricantes de motores de gas a la utilización de catalizadores para la eliminación y/o control de las emisiones.  La utilización de catalizadores limita el contenido y tipo de aditivos que debe llevar el aceite de motor en su formulación; sin embargo, no existen especificaciones de desempeño en aplicaciones industriales y po tanto, se sugieren aceites con certificación API con niveles específicos de cenizas sulfatadas.

Funciones del lubricante para motores a gas

Las características propias de estos motores, el empleo de gases livianos que no producen dilución, las altas temperaturas y las velocidades de operación constantes, resultan en particulares exigencias de desempeño del lubricante, como son:

  • Control de la oxidación y de la nitración: Las temperaturas más altas, experimentadas por los motores de gas, promueven la formación de óxidos de nitrógeno que al reaccionar con el aceite, dan lugar al aumento de la viscosidad, causada por la polimerización del aceite, desgaste corrosivo causado por productos ácidos (ej. ácido nítrico), formación de depósitos en el motor, causados por lodos y barnices y el bloqueo del filtro causado por lodos.
  • Reducción de la fricción y el desgaste: Los motores de gas operan a niveles de carga y velocidad constantes; de manera continua sin paradas, sin puestas en marcha o variaciones de carga, el desgaste de las válvulas y de sus asientos es lo más notorio, debido a la naturaleza seca y limpia de la combustión y por la carencia de hollín o compuestos de plomo, que normalmente lubrican las válvulas en otros Motores de combustión interna, un alto nivel de depósitos de cenizas pueden causar encendidos prematuros y válvulas quemadas por la suciedad en las bujías de encendido.
  • Prevención de la corrosión y del óxido: Los aceites de motor de gas deben impedir la corrosión y la formación de óxido, especialmente cuando el motor funciona con gas de vertedero, gas obtenido de aguas fecales u otros gases más corrosivos.  Estos gases pueden contener altos niveles de hidrocarburos halogenados, ácidos orgánicos y compuestos sulfúricos que pueden formar ácidos fuertes y provocar corrosión. Es importante no solo utilizar aceites con un TBN elevado, sino aceites con la composición química correcta para neutralizar los diferentes tipos de especies ácidas.
  • Limpieza del motor: El aceite se formula, especialmente cuando se utilizan gases húmedos (El gas húmedo, aparte de metano, contiene cantidades apreciables de hidrocarburos líquidos como etano, propano y butano, más pesados ​​y condensables que pueden barrer la película lubricante). No tiene nada que ver con el contenido de vapor de agua); por otro lado, el gas seco es básicamente metano o gas agrio (El gas agrio contiene cantidades apreciables de sulfuro de hidrógeno, muy corrosivo; mientras que el gas dulce es aquel que no contiene sulfuro de hidrógeno.), con aditivos detergentes y dispersantes para mantener en suspensión la suciedad y productos de oxidación e impedir la adherencia de los aros, la formación de lodos y de depósitos en el motor.

Clasificación del lubricante para motores a gas

No hay estándares para clasificar los aceites para motores de gas, ni tampoco hay pruebas homologadas para la evaluación de su rendimiento. Los fabricantes de motores de gas tienen requisitos que varían ampliamente y solo se homologan aceites después de que se hayan realizado pruebas de campo, cuya duración puede variar entre 3000 y 10000 horas (entre uno y dos años), dependiendo del fabricante original del equipo y son de altísimo costo, lo cual requiere un completo control del aceite y del motor durante la realización de las pruebas, así como una inspección del motor (por regla general de uno o dos cilindros) a la finalización de las mismas.

Clasificación ASTM D-874 para los lubricantes para motores a gas

De acuerdo al contenido de cenizas los aceites se clasifican en cuatro categorías:

Especificaciones de fabricantes

De acuerdo al contenido de cenizas los aceites se pueden observan variabilidad en sus requerimientos, por ejemplo: 

Recomendaciones generales de los lubricantes para motores estacionarios a gas

En motores de dos tiempos se recomienda el uso de lubricantes sin cenizas para prevenir el taponamiento de las lumbreras (API SB/CB SAE 30/40). En motores de cuatro tiempos se deben utilizar productos con bajo o medio nivel de cenizas para prevenir desgastes y para neutralizar los compuestos ácidos formados (API CD/CF SAE 30/40). En determinadas aplicaciones es necesario el uso de detergentes especiales e inhibidores de la corrosión para los gases de vertedero.

Tendencias en lubricantes

Se pueden resumir en:

  • Productos con bajo contenido en cenizas. 
  • Exigencias superiores a API CD. 
  • Los aceites convencionales de gasolina y diésel no son adecuados.

Selección de lubricantes

Se deben considerar varios factores:

  • TIPO DE GAS: Un gas natural dulce y seco arde bien y generalmente no tiene elementos corrosivos por lo que en este caso un aceite con bajo nivel de ceniza y bajo TBN sería adecuado. En el caso de gases agrios o biogás, este puede contener niveles elevados de compuestos sulfúricos y haluros, los cuales son muy corrosivos, por lo que se requieren aceites con un TBN mayor. 
  • CAPACIDAD DEL CARTER Y CONSUMO DE ACEITE: Un cárter pequeño y un bajo consumo de aceite pueden imponer grandes tensiones al aceite y reducir su vida útil; Motores con un mayor cárter de aceite ayudan a aumentar la vida útil del aceite pero pueden contribuir a la formación de depósitos, desgaste de las válvulas y suciedad en las bujías, especialmente si se utilizan aceites con un elevado contenido de cenizas.
  • TEMPERATURA DE OPERACIÓN: Motores que funcionan a temperaturas bajas (0°C a 40ºC) funcionan satisfactoriamente con aceites tipo SAE 30, mientras un funcionamiento a temperaturas más altas (5°C a 50º C) requieren aceites SAE 40.
  • NIVEL DE CENIZAS SULFATADAS: Es la cantidad de materia incombustible cuando se quema una cantidad de aceite y es criterio muy importante a la hora de seleccionar los aceites en los motores de gas. Casi todos los aceites contienen aditivos organometálicos que se requieren para proporcionar detergencia y protección contra el desgaste y la oxidación. Estos detergentes, principalmente sulfatos y fenatos constituyen la fuente principal de ceniza en el lubricante; El uso de aceites con bajo contenido en cenizas puede provocar corrosión térmica, retroceso de las válvulas, quemado de las válvulas, etc. La utilización de un aceite con alto contenido en cenizas, podría causar la formación de cenizas en la cámara de combustión y el pistón lo que daría lugar a encendidos prematuros, suciedad en las bujías, quemado de las válvulas y adherencia de aros.
  • ESPECIFICACIONES OEM´S: Siempre es importante consultar a los fabricantes de equipos con el fin de conocer sus recomendaciones actualizadas en cuanto al grado de viscosidad, nivel de cenizas y otros requisitos Hay fabricantes que tienen homologados aceites en función del tipo de gas como Guascor, Caterpillar, Jenbacher mientras que otros como Deutz solo tienen homologados aceites, independientemente del gas utilizado.

Ejemplos de algunos motores a gas

Análisis de lubricantes del motor a gas

Un programa analítico de rutina de aceite de motor a gas debe incluir los siguientes parámetros:

  • Viscosidad cinemática. 
  • Número Basico (BN). 
  • Número Acido (AN).
  • pH. 
  • Contaminación por glicol. 
  • Contaminación por agua.
  • Insolubles.
  • Partículas de desgaste. 
  • Contenido en aditivos. 
  • Contenido en contaminantes.
  • Nitración / Oxidación. 
  • Contenido en Cloro.
  • Contenido en Azufre.

Límites condenatorios

Van a depender del fabricante y de su historial o experiencia técnica particular; adicionalemente cada motor debe ser controlado independientemente, ya que todos poseen diferentes tendencias.

Frecuencia de muestreo

Inicialmente tomar muestras cada 100 horas al objeto de establecer las tendencias de los parámetros analizados, posteriormente, tomar muestras cada 200 horas para motores a gas con gases reactivos – biogás y muestras cada 400-500 horas con gas natural.

Frecuencia para cambio de lubricante

No existe un periodo preestablecido de cambio de aceite en motores de gas. La vida del aceite está condicionada a la capacidad del cárter, condiciones de trabajo, carga, temperatura, relación aire y gas, características del aceite y los límites condenatorios establecidos por el fabricante. Por ejemplo, CATERPILLAR recomienda cambios cada 750 horas, mientras que otros como GUASCOR, con combustible del tipo gas natural recomienda cambio cada 1200 horas y con combustible del tipo biogás recomienda cambios cada 700 horas.  El cambio del lubricante se basa mas, que en número de horas, en el resultado de los análisis de rutina.

Conclusiones

  • El aceite es un elemento vital de la máquina y es la mejor herramienta de mantenimiento predictivo – proactivo desde el punto de vista coste-beneficio. 
  • Es una extraordinaria herramienta para controlar los periodos de cambio del lubricante y para la detección temprana de los fallos.
  • Cada motor debe ser controlado independientemente, ya que todos poseen diferentes tendencias. Se deben mandar muestras de aceite con una frecuencia determinada para poder establecer las tendencias de cada uno de los parámetros.

Bibliografía y/o cibergrafía consultada con los respectivos autores

  • Lubricación de Motores a Gas Natural – Ing. Antonio J. Ciancio Servicio Técnico Américas ExxonMobil, Lubricantes y Productos Especiales
  • Consejo de la semana: Lubricación de compresores de gas con aceites a base de poli glicoles – Marcelo E. Martins Ingeniero de Lubricación Senior
  • Consejo de la semana: Recesión de válvulas en motores a gas estacionarios – Marcelo E. Martins Ingeniero de Lubricación Senior
  • Los lubricantes- definiciones, usos y aplicaciones – Diego Cabrera Ediciones Z, C.A. Caracas ISBN 980-6599-10-1
  • Los Lubricantes – Características, propiedades, Aplicaciones Ediciones Ceac, S.A. Barcelona ISBN 84-239.3414-3
  • Principles of Lubrication – Exxon Corporation 1992
  • http://alsinacomercial.com/informes/00000022/stt15-lubricacion-de-motores-a-gas
  • Lubricación y mantenimiento de motores de gas (lubrication-management.com)
  • Lubricación de instalaciones de gas – ¿vale la pena? – Digitronic Autogas (digitronicgas.com)
  • https://www.digitronicgas.com/do/lubricacion-de-instalaciones-de-gas.
  • www.oilanalysis.com
  • www.texaco.com
  • www.infenium.com
  • www.total.com
  • Otras paginas WEB

Autor

Diego Cabrera Vanegas

Dicava160361@gmail.com

Ingeniero Mecánico, egresado de la Universidad Simón Bolívar – Asesor técnico especializado en productos de petróleo.

País de origen del autor: Venezuela

Síntesis curricular: Especialista en lubricantes, combustibles y derivados de petróleo; experiencia en operaciones en plantas de Pdvsa; experiencia en comercialización y venta a clientes industriales bajo procesos de licitaciones, cotizaciones; despacho y entrega de productos; ventas a mayoristas y minoristas de lubricantes industriales y automotrices; Conocimientos y especialización en lubricantes, combustibles, asfaltos, parafinas, solventes, características técnicas, niveles de calidad y desempeño, normalización, equivalencias de lubricantes. Aplicación de normas de lubricantes en clientes industriales en Venezuela y exterior, aplicación y seguimiento de análisis de aceites lubricantes, evaluación del código de limpieza ISO para turbinas y sistemas hidráulicos, determinación de causas de falla basados en análisis de aceite y toma de decisiones correctiva y Atención postventa

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